DE69215641T2 - Pressure swing adsorption process for low temperatures with cooling - Google Patents
Pressure swing adsorption process for low temperatures with coolingInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gastrennung. Insbesondere bezieht sie sich auf die verbesserte Erzeugung von Sauerstoff aus Luft.The invention relates to the field of gas separation. In particular, it relates to the improved production of oxygen from air.
Adsorptionsprozesse wurden in breitem Umfang für die Trennung und die Reinigung von Gasen verwendet. Sorptionsmittel mit großer Oberfläche besitzen eine Affinität zur Adsorption von Gasmolekülen auf ihrer Oberfläche. Die Menge des adsorbierten Gases hängt von dem speziell verwendeten Sorptionsmittel, von dem adsorbierten Gas sowie von den Temperatur- und Druckbedingungen ab, unter welchen der Adsorptionsvorgang ausgeführt wird. Für die meisten Sorptionsmittel nimmt die adsorbierte Menge mit steigendem Partialdruck der adsorbierten Gaskomponente und mit sinkender Adsorptionstemperatur zu. Folglich kann die Menge an adsorbiertem Gas durch Senken der Adsorptionstemperatur erhöht werden. Bei den meisten praktischen Anwendungen ist es nötig, die adsorbierten Gase zu desorbieren, um das Sorptionsmittel zu regenerieren, um eine Wiederholung des Adsorptionsprozesses auf zyklischer Basis zu ermöglichen. Der Desorptionsschritt verläuft am besten bei hohen Temperaturen und niedrigen Drücken. Für solche praktischen Anwendungen muß deshalb entweder der Druck oder die Temperatur oder beides auf einer zyklischen Basis zwischen den Adsorptions- und Desorptionsschritten verändert werden oder "wechseln". Diese beiden grundlegenden Ansätze zur Gastrennung werden Druckwechseladsorption (PSA) und Temperaturwechseladsorption (TSA) genannt.Adsorption processes have been widely used for the separation and purification of gases. High surface area sorbents have an affinity for adsorbing gas molecules on their surface. The amount of gas adsorbed depends on the specific sorbent used, the gas adsorbed, and the temperature and pressure conditions under which the adsorption process is carried out. For most sorbents, the amount adsorbed increases with increasing partial pressure of the adsorbed gas component and with decreasing adsorption temperature. Consequently, the amount of gas adsorbed can be increased by lowering the adsorption temperature. In most practical applications, it is necessary to desorb the adsorbed gases to regenerate the sorbent to allow the adsorption process to be repeated on a cyclic basis. The desorption step works best at high temperatures and low pressures. For such practical applications, therefore, either the pressure or the temperature or both must be changed or "changed" on a cyclic basis between the adsorption and desorption steps. These two basic approaches to gas separation are called pressure swing adsorption (PSA) and temperature swing adsorption (TSA).
In den letzten Jahren wurden PSA-Prozesse für die Herstellung von Sauerstoff und Stickstoff aus Luft entwickelt. Bei solchen Prozessen wird Einsatzluft in ein Adsorptionsbett geleitet, welches ein Sorptionsmittel enthält, das die leichter adsorbierbare Komponente aus Luft, d.h. entweder Stickstoff oder Sauerstoff, selektiv adsorbieren kann, während die schwerer adsorbierbare Komponente aus dem Adsorptionsbett ausgeleitet wird. Während das Verhalten solcher PSA-Prozesse klar von den Temperaturbedingungen, bei welchen die Adsorption und die Desorption stattfindet, beeinflußt wird, wurden die meisten PSA-Prozesse so ausgelegt, daß sie allgemein bei Umgebungstemperaturbedingungen betrieben werden, ohne daß eine spezielle Anordnung zum Steuern der Temperaturbedingungen während des Adsorptionsvorgangs verwendet wird.In recent years, PSA processes have been developed for the production of oxygen and nitrogen from air. In such processes, feed air is fed into an adsorption bed containing a sorbent that can selectively adsorb the more easily adsorbable component from air, i.e. either nitrogen or oxygen, while the more difficultly adsorbable component is discharged from the adsorption bed. While the behavior of such PSA processes clearly depends on the temperature conditions at which the adsorption and the desorption, most PSA processes have been designed to operate generally at ambient temperature conditions without using any special arrangement to control the temperature conditions during the adsorption process.
DE-A-2 221 379 offenbart ein Verfahren und ein System zur Zerlegung eines Gasgemischs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. Anspruch 11. Jedoch wird bei diesem bekannten Adsorptionssystem ein Adsorptionsbehälter verwendet, der zwei Adsorptionsbetten aufweist, zwischen welchen ein thermischer Pufferabschnitt angeordnet ist.DE-A-2 221 379 discloses a method and a system for separating a gas mixture according to the preamble of claim 1 and claim 11, respectively. However, in this known adsorption system an adsorption vessel is used which has two adsorption beds between which a thermal buffer section is arranged.
Bei PSA-Systemen wird bei der Adsorption Wärme freigesetzt, und es wird bei der Desorption von dem Sorptionsmittel Wärme aufgenommen. Die Temperatur des Adsorptionsbetts neigt folglich während des Adsorptionsschritts dazu, anzusteigen, während die Temperatur des Betts während des Desorptionsschritts fällt. Die Temperaturänderung ist während des Abschnitts des PSA-Gesamtzyklus am stärksten ausgeprägt, in welchem das Adsorptionsbett auf einen oberen Adsorptionsdruck aufgedrückt wird oder auf einen niedrigeren Desorptionsdruck entspannt wird, vorausgesetzt, daß das Adsorptionsmittel im wesentlichen frei von stark adsorbierten Verunreinigungen ist, die nur mittels Spülen effektiv desorbiert werden können und die eine Adsorption von weniger stark adsorbierten Komponenten verhindern. Das Aufdrücken und Entspannen der offenen Gasräume in einem Adsorptionssystem, wie beispielsweise der Verteileranordnung oder der Kopfräume in Behältern, die das Bett an Sorptionsmittelmaterial enthalten, bewirkt ebenfalls Temperaturänderungen aufgrund der durch die Kompression und Expansion der Gase darin geleisteten reversiblen Arbeit. Bei einem dynamischen Prozeß, wie beispielsweise einem PSA-Prozeß, wird ein großer Teil der Adsorptions- und Kompressionswärme auf den strömenden Strom an Einsatzgas, z.B. Luft, übertragen und wird aus dem Adsorptionsbett heraus getragen. Bei einem typischen PSA-Betrieb, wie er beispielsweise für die Herstellung von Sauerstoff und/oder Stickstoff aus Luft verwendet wird, übersteigt der Vorwärtsstrom des Gases während der Adsorption den Rückwärtsstrom des Gases während der Desorption. Folglich ergibt sich ein Netto-Vorwärtsstrom von Enthalpie, der dazu neigt, die Durchschnittstemperatur der in einem PSA-System verwendeten Adsorptionsbetten zu verringern, wenn die Temperaturoszillationen darin größer als in dem Bereich nahe des Eingangs zu den Betten sind.In PSA systems, heat is released during adsorption and heat is absorbed by the sorbent during desorption. The temperature of the adsorption bed therefore tends to rise during the adsorption step while the temperature of the bed falls during the desorption step. The temperature change is most pronounced during the portion of the overall PSA cycle in which the adsorption bed is pressurized to an upper adsorption pressure or depressurized to a lower desorption pressure, provided that the adsorbent is substantially free of strongly adsorbed contaminants that can only be effectively desorbed by purging and that prevent adsorption of less strongly adsorbed components. The pressurization and depressurization of the open gas spaces in an adsorption system, such as the manifold assembly or the head spaces in vessels containing the bed of sorbent material, also cause temperature changes due to the reversible work done by the compression and expansion of the gases therein. In a dynamic process such as a PSA process, a large portion of the heat of adsorption and compression is transferred to the flowing stream of feed gas, e.g. air, and is carried out of the adsorption bed. In a typical PSA operation, such as that used for the production of oxygen and/or nitrogen from air, the forward flow of gas during adsorption exceeds the reverse flow of gas during desorption. Consequently, there is a net forward flow of enthalpy which tends to reduce the average temperature of the adsorption beds used in a PSA system if the temperature oscillations therein are greater than in the region near the entrance to the beds.
Der Effekt der Temperatur auf PSA-Verfahren zur Herstellung von Sauerstoff aus Luft wird von Izami et al. in "High Efficiency Oxygen Separation with Low Temperature and Low Pressure PSA", AIChE, San Francisco, Kalifornien, Nov. 1989, diskutiert. Fünf unterschiedliche Sorptionsmittel des Molekularsiebtyps, die selektiv Stickstoff aus Einsatzluft adsorbieren konnten, wurden in dieser Studie untersucht, einschließlich Na-X (mit zwei unterschiedlichen Si/Al-Verhältnissen), Ca-A, Ca-X und Si-X. Es stellte sich heraus, daß die Sorptionsmittel mit Erdalkalikationen (Calcium und Strontium), die besten N&sub2;/O&sub2;-Trennfaktoren bei annähernd Raumtemperatur zeigten, wohingegen der Trennfaktor für die Na-X-Sorptionsmittel bei etwa - 30 º C ein Maximum hatte. In allen Fällen nahm das Stickstoffspeichervermögen mit sinkender Temperatur zu, wie man dies aus der Adsorptionstheorie wie oben diskutiert erwartet. Prüfprozesstests mit Ca-A- und Na-X-Sorptionsmitteln bestätigten, daß das Ca-A-Sorptionsmittel zwischen 0 ºC und Raumtemperatur am leistungsfähigsten war, wohingegen das Na-X-Sorptionsmittel bei Temperaturen weit unter 0 ºC am leistungsfähigsten war. Bei diesen Tests waren die Adsorptionsbetten mit Thermostaten versehen und wurden effektiv bei einer festen Temperatur gehalten. Pilottests in größerem Maßstab wurden mit Na-X- Adsorptionsmittel ebenfalls durchgeführt. Kühlschlangen waren in dem Bett vorgesehen, und es wurde auch ein Wärmeregenerierabschnitt zwischen einem Trocknungsabschnitt zum Trocknen der einströmenden Einsatzluft und dem Adsorptionsbett verwendet, um Bett- Temperaturen niedriger als die Temperaturen des Einsatzgasstroms zu erzielen. Solche Tests bestätigten, daß die Adsorptionseffizienz anstieg und die Kosten abnahmen, wenn die Adsorptionstemperatur auf einen nominellen Wert von -15 ºC gesenkt wurden. Die Tests wurden eher nahe adiabatischen statt isothermischen Bedingungen durchgeführt, und die Temperaturen waren nicht gleichförmig. Diese Tests zeigten, daß es vorteilhaft ist, den PSA-Prozess mit Na-X-Adsorptionsmittel bei Betriebstemperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur zu betreiben. Externe Kühlung wurde verwendet, um die gewünschten niedrigen Adsorptionsbett-Temperaturen zu erzielen. Es wurde auch ein optimaler Desorptionsdruck von etwa 0,3 bar (0,3 Atmosphären) verwendet.The effect of temperature on PSA processes for producing oxygen from air is discussed by Izami et al. in "High Efficiency Oxygen Separation with Low Temperature and Low Pressure PSA", AIChE, San Francisco, California, Nov. 1989. Five different molecular sieve type sorbents that could selectively adsorb nitrogen from feed air were investigated in this study, including Na-X (with two different Si/Al ratios), Ca-A, Ca-X and Si-X. It was found that the sorbents containing alkaline earth cations (calcium and strontium) showed the best N2/O2 separation factors at approximately room temperature, whereas the separation factor for the Na-X sorbents was maximum at about -30ºC. In all cases, the nitrogen holding capacity increased with decreasing temperature, as expected from adsorption theory discussed above. Proof process tests with Ca-A and Na-X sorbents confirmed that the Ca-A sorbent was most efficient between 0ºC and room temperature, whereas the Na-X sorbent was most efficient at temperatures well below 0ºC. In these tests, the adsorption beds were thermostatted and effectively held at a fixed temperature. Larger scale pilot tests were also conducted with Na-X adsorbent. Cooling coils were provided in the bed and a heat regeneration section was also used between a drying section for drying the incoming feed air and the adsorption bed to achieve bed temperatures lower than the feed gas stream temperatures. Such tests confirmed that adsorption efficiency increased and costs decreased when the adsorption temperature was reduced to a nominal value of -15ºC. The tests were conducted under near adiabatic rather than isothermal conditions and temperatures were not uniform. These tests demonstrated that it is advantageous to operate the PSA process with Na-X adsorbent at sub-ambient operating temperatures. External cooling was used to achieve the desired low adsorption bed temperatures. An optimum desorption pressure of about 0.3 bar (0.3 atmospheres) was also used.
Im Gegensatz dazu stellten andere Autoren jedoch fest, daß niedrige Adsorptionsbett- Temperaturen die PSA-Systemleistung nachteilig beeinflussen. Collins offenbarte in US-A- 3 973 931, daß bei superatmosphärischen PSA-Prozessen zur Herstellung von Sauerstoff aus Luft sehr große axiale Temperaturvariationen auftreten können. Bei Adsorptionsbetten mit zeolithischem Molekularsiebmaterial wurden Temperaturvariationen von mehr als 50 ºC beobachtet. Es stellte sich heraus, daß ein sehr großer Temperaturgradient nahe dem Einsatzende des Betts auftrat, was zu einem Temperaturminimum in einem Abstand von etwa 0,3 m (1 Fuß) von dem Einsatzende des Betts führte, wobei die Temperaturen über den Rest des Bettes graduell anstiegen. Nach wiederholtem Adsorptions-Desorptions-Zyklusbetrieb blieb das Temperaturprofil mit nur geringer Variation mit jedem Zyklus bestehen. Collins fand heraus, daß diese Temperaturvariationsbedingungen der Reinheit und der Ausbeute an Sauerstoff unter Verwendung solcher superatmosphärischen PSA-Zyklen abträglich waren. Folglich wird in US-A-3 973 931 gelehrt, daß sich aus dem Erwärmen des Einsatzstroms um mindestens 20 ºF (11 ºC) ein verbesserter Betrieb ergibt. Obschon die präsentierten Betriebsdaten zeigen, daß eine große axiale Temperaturvariation besteht, wird dadurch die minimale Bett-Temperatur angehoben, ebenso wie die Temperaturen über den Rest des Adsorptionsbetts. In US-A-3 973 931 wird der Temperaturabfall an dem Einlaßende einem "unbeabsichtigten Wärmerückgewinnungsschritt" zugeordnet und es wird gezeigt, daß der Temperaturabfall am größten ist, wenn Wasserdampf-Verunreinigungen aus dem Einsatzstrom in diesem Einlaßbereich des Betts adsorbiert werden. In US-A-3 973 931 werden verschiedene Mittel zum Anheben der Einsatzstromtemperatur vorgeschlagen, einschließlich Steuern oder teilweises Umströmen des Nachkühlers des Einsatzluftkompressors. Die Wärme der Einsatzluftkompression ist mehr als hinreichend, um die etwas höheren Einsatzlufttemperaturen zu erzeugen, die für den verbesserten Prozeß gemäß der Lehre von US-A-3 973 931 verwendet werden.In contrast, however, other authors have found that low adsorption bed temperatures adversely affect PSA system performance. Collins disclosed in US-A-3,973,931 that very large axial temperature variations can occur in superatmospheric PSA processes for producing oxygen from air. Temperature variations of more than 50 ºC were observed in adsorption beds containing zeolitic molecular sieve material. It was found that a very large temperature gradient occurred near the feed end of the bed, resulting in a temperature minimum at a distance of about 0.3 m (1 foot) from the feed end of the bed, with temperatures gradually increasing over the remainder of the bed. After repeated adsorption-desorption cycling operation, the temperature profile remained consistent with little variation with each cycle. Collins found that these temperature variation conditions were detrimental to the purity and yield of oxygen using such superatmospheric PSA cycles. Consequently, US-A-3 973 931 teaches that improved operation results from heating the feed stream by at least 20 ºF (11 ºC). Although the operating data presented show that there is a large axial temperature variation, the minimum bed temperature is thereby raised, as are the temperatures throughout the rest of the adsorption bed. In US-A-3,973,931, the temperature drop at the inlet end is attributed to an "unintended heat recovery step" and it is shown that the temperature drop is greatest when water vapor contaminants from the feed stream are adsorbed in this inlet region of the bed. In US-A-3,973,931, various means of raising the feed stream temperature are suggested, including controlling or partially bypassing the aftercooler of the feed air compressor. The heat of feed air compression is more than sufficient to produce the somewhat higher feed air temperatures used for the improved process taught in US-A-3,973,931.
Auf dem Gebiet der PSA-Luftzerlegung gibt es somit unterschiedliche Lehren hinsichtlich der Wahl des Adsorptionsmittels, der Druckpegel für Adsorption und Desorption und den empfohlenen Betriebstemperaturen, wobei Temperaturen sowohl oberhalb als auch unterhalb der Umgebungstemperaturen empfohlen werden. Nichtsdestoweniger werden die meisten kommerziellen PSA-Luftzerlegungsprozesse, wie oben beschrieben, unter Umgebungsbedingungen ohne Temperatursteuerung und ohne besondere Beachtung von Wärmeeffekten betrieben, die während den zyklischen Adsorptions-Desorptions-Vorgängen auftreten.Thus, in the field of PSA air separation, there are differing teachings regarding the choice of adsorbent, pressure levels for adsorption and desorption, and recommended operating temperatures, with temperatures both above and below ambient temperatures being recommended. Nevertheless, most commercial PSA air separation processes, as described above, are operated under ambient conditions without temperature control and without special attention to thermal effects that occur during the cyclic adsorption-desorption processes.
Es besteht natürlich in der Technik ein Bedürfnis, PSA-Vorgänge zu verbessern, um die ständig wachsenden Anforderungen an praktische kommerzielle Zerlegungsvorgänge für Luft und andere Gase vollständiger zu befriedigen. Solch ein Wunsch in der Technik bezieht sich insbesondere auf das Erhöhen der Ausbeute an Sauerstoff oder anderen gewünschten Produkten mit vorteilhaften PSA-Systemen, die Wärmeeffekte, welche im Verlauf von zyklischen PSA- Vorgängen auftreten, nutzen anstatt sie zu mißachten. Für solche verbesserten Vorgänge ist es jedoch wünschenswert, daß die PSA-Systeme die Verwendung von relativ kostspieligen Hilfsausrüstungen, wie beispielsweise der gemäß der Lehre von Izami et al. verwendeten externen Kühlung, zu vermeiden.There is, of course, a desire in the art to improve PSA operations to more fully satisfy the ever-increasing demands of practical commercial separation operations for air and other gases. Such a desire in the art relates in particular to increasing the yield of oxygen or other desired products with advantageous PSA systems that utilize rather than disregard thermal effects that occur during cyclic PSA operations. For such improved operations, however, it is desirable that the PSA systems avoid the use of relatively expensive auxiliary equipment, such as the external cooling used in accordance with the teaching of Izami et al.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, für ein verbessertes PSA-Verfahren und eine verbesserte PSA-Vorrichtung für die Erzeugung von Sauerstoff aus Luft und andere wünschenswerte Gaszerlegungen zu sorgen.It is an object of the invention to provide an improved PSA process and an improved PSA apparatus for the production of oxygen from air and other desirable gas separations.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, für eine PSA-Gaszerlegungsvorrichtung bzw. Ein PSA-Gaszerlegungsverfahren zu sorgen, welche die Wärmeeffekte ausnutzen, die im Verlauf der zyklischen Adsorptions-Desorptions-PSA-Abfolge auftreten, um das Erfordernis einer externen Kühlung zu vermeiden.It is a further object of the invention to provide a PSA gas separation apparatus and process which exploit the thermal effects occurring during the cyclic adsorption-desorption PSA sequence to avoid the need for external cooling.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, für ein PSA-Verfahren und -System zur Verbesserung der Gesamteffizienz und -ökonomie der Sauerstofferzeugung aus Einsatzluft zu sorgen.It is a further object of the invention to provide a PSA method and system for improving the overall efficiency and economy of oxygen production from feed air.
Hinsichtlich dieser und weiterer Aufgaben wird die Erfindung im folgenden detailliert beschrieben, wobei die neuen Merkmale insbesondere in den anhängenden Ansprüchen hervorgehoben sind.With these and other objects in mind, the invention is described in detail below, with the novel features being particularly pointed out in the appended claims.
Die Erfindung betrifft ein PSA-Verfahren und -System, bei welchem Mittel für die gesteuerte Zurückhaltung von intern erzeugter Eigenkühlung vorgesehen sind, so daß die Durchschnittstemperatur des Adsorptionsbetts verrringert wird. Die Gesamteffizienz und -ökonomie des Luftzerlegungsprozesses wird dadurch erhöht.The invention relates to a PSA process and system in which means are provided for the controlled retention of internally generated self-cooling so that the average temperature of the adsorption bed is reduced. The overall efficiency and economy of the air separation process is thereby increased.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:The invention is described below with reference to the accompanying drawings, in which:
FIG. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen PSA-Adsorptionsbetts mit Eigenkühlung ist; undFIG. 1 is a schematic representation of an embodiment of a PSA adsorption bed with self-cooling according to the invention; and
FIG. 2 ein Prozeßströmungsdiagramm eines typischen Zweibett-PSA-Systems ist.FIG. 2 is a process flow diagram of a typical two-bed PSA system.
Die Aufgaben der Erfindung werden durch ein PSA-Verfahren und -System bei einer Bett- Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur gelöst, wobei die erforderliche Kühlung intern ohne das Erfordernis einer extern zugeführten Kühlung zugeführt wird. Dadurch, daß auf diese Weise interne Kühlungseffekte des PSA-Zyklusses zurückgehalten und ausgenutzt werden, so daß die Durchschnittstemperatur des Adsorptionsbetts verringert wird, wird die Gesamteffizienz und -ökonomie des PSA-Prozesses zur Zerlegung von Luft oder anderen Gasen erhöht.The objects of the invention are achieved by a PSA process and system at a sub-ambient bed temperature, wherein the required cooling is provided internally without the need for externally supplied cooling. By thus retaining and utilizing internal cooling effects of the PSA cycle so that the average temperature of the adsorption bed is reduced, the overall efficiency and economy of the PSA process for separating air or other gases is increased.
Die gewünschte Hochleistungs-Sauerstoffgewinnung aus Luft und andere Hochleistungs- Gaszerlegungen werden in der Praxis der Erfindung unter Verwendung eines hier beschriebenen PSA-Systems erzielt, wobei dieses ein Zeolithmolekularsieb-Adsorptionsmittel, z.B. des Na-X-Typs, aufweist und bei Adsorptions-Desorptionsdruckbedingungen betrieben wird, wie sie hier beschrieben sind. Der Vorwärtsstrom der Enthalpie übersteigt deren Rückwärtsstrom, wodurch eine Nettokühlung erzeugt wird, die die Durchschnittstemperatur der Adsorptionsbetten effektiv verringert. Der Verlust solcher Kühlleistung wird durch die Kombination von Behälterisolation, dem Auffüllen der Endräume in den Adsorptionsbehältern, welche die Adsorptionsbetten enthalten, und die Verwendung von Wärmerückgewinnungsbereichen an dem Einsatzende der Betten, typischerweise dem unteren Ende, sowie zwischen dem Trocknungsmittel, welches gewöhnlich verwendet wird, um die einströmende Einsatzluft und die Adsorptionsbetten zu trocknen, verhindert. Auf diese Weise erfordert die Erfindung keine Verwendung externer Kühlung. Die Menge der selbstregenerierten Kühlung, die zurückgehalten wird, kann über die Auslegungscharakteristika der Wärmerückgewinnungsbereiche und den Grad der verwendeten Isolation gesteuert werden. Eine Feineinstellung und -steuerung der Bettdurchschnittstemperatur wird durch Steuerung der Temperatur des Einsatzgases, z.B. Luft, erzielt, was mittels des Einstellens des in dem Kompressornachkühler erzielten Kühlungsgrads erreicht wird.The desired high performance oxygen recovery from air and other high performance gas separations are achieved in the practice of the invention using a PSA system as described herein, comprising a zeolite molecular sieve adsorbent, e.g. of the Na-X type, and operated at adsorption-desorption pressure conditions as described herein. The forward flow of enthalpy exceeds its reverse flow, thereby producing a net cooling which effectively reduces the average temperature of the adsorption beds. The loss of such cooling power is prevented by the combination of vessel insulation, backfilling of the end spaces in the adsorption vessels containing the adsorption beds, and the use of heat recovery regions at the feed end of the beds, typically the lower end, and between the desiccant commonly used to dry the incoming feed air and the adsorption beds. In this way, the invention does not require the use of external cooling. The amount of self-regenerated cooling retained can be controlled via the design characteristics of the heat recovery regions and the degree of insulation used. Fine tuning and control of the bed average temperature is achieved by controlling the temperature of the feed gas, e.g. air, which is achieved by adjusting the degree of cooling achieved in the compressor aftercooler.
Bei dem Gleichgewichts-PSA-Prozeß, der unter Verwendung der hier beschriebenen Zeolithmolekularsieb-Adsorptionsmittel erreicht wird, wird die leichter adsorbierbare oder schwerere Komponente bzw. die entsprechenden Komponenten des zu dem Bett bei einem oberen Adsorptionsdruck geleiteten Einsatzgases selektiv adsorbiert und bildet bzw. bilden eine Adsorptionsfront, welche von dem Einsatzende des Betts zu dessen Produktende voranschreitet, während die schwerer adsorbierbare oder leichtere Komponente(n) durch das Bett geleitet wird/werden und von dessen Produktende bei einem oberen Adsorptionsdruck zwecks weiterer Verarbeitung und/oder stromabwärtiger Verwendung gewonnen wird/werden. Bei solch einem Gleichgewichtsprozeß ist Stickstoff die leichter adsorbierbare Komponente und Sauerstoff ist die schwerer adsorbierbare Komponente der Einsatzluft. Nach Abschluß dieses Adsorptionsschritts kann das Bett optional im Gleichstrom auch auf einen mittleren Druckwert mittels des Freisetzens von Gasen von dem Produktende des Betts entspannt werden, wobei das freigesetzte Gas für einen Druckausgleich mit einem anderem Bett in dem System und/oder als Spülgas für ein anderes Bett verwendet wird. Während dieser Zeit schreitet die Adsorptionsfront der leicht adsorbierbaren Komponente weiter zu dem Produktende des Betts hin vor, ohne daß jedoch ein Durchbruch stattfindet. Das Bett wird dann im Gegenstrom mittels des Freisetzens von Gas von dem Einsatzende des Betts auf einen unteren Desorptionsdruck entspannt, mit oder ohne nachfolgendem Spülen bei dem unteren Desorptionsdruckwert, um die Desorption und das Entfernen der leichter adsorbierbaren Komponente, z.B. Stickstoff bei der Luftzerlegung, von dem Bett zu verbessern. Nach Abschluß dieses Desorptions/Spülschritts kann das Bett mittels des Einleitens eines sauerstoffreichen Produkts an dem Produktende des Betts auf einen mittleren Druck teilweise wieder aufgedrückt werden. Nachfolgend wird das Bett auf seinen oberen Adsorptionsdruck aufgedrückt, wenn die zyklische PSA-Prozeßabfolge fortgesetzt wird, wobei zusätzliche Mengen von Einsatzluft während jedes nachfolgenden Adsorptionsschritts zu dem Bett geleitet werden. Bei einem typischen PSA-Zyklus der oben beschriebenen Art übersteigt der Vorwärtsstrom von Gas den Rückwärtsgasstrom in dem Bett, was zu einem Netto-Vorwärtsstrom führt.In the equilibrium PSA process achieved using the zeolite molecular sieve adsorbents described herein, the more readily adsorbable or heavier component(s) of the feed gas passed to the bed at an upper adsorption pressure are selectively adsorbed and form an adsorption front which advances from the feed end of the bed to the product end thereof, while the less readily adsorbable or lighter component(s) are passed through the bed and recovered from the product end thereof at an upper adsorption pressure for further processing and/or downstream use. In such an equilibrium process, nitrogen is the more readily adsorbable component and oxygen is the less readily adsorbable component of the feed air. Upon completion of this adsorption step, the bed may also optionally be cocurrently depressurized to an intermediate pressure by releasing gases from the product end of the bed, with the released gas being used to equalize pressure with another bed in the system and/or as a purge gas for another bed. During this time, the adsorption front of the readily adsorbable component continues to advance towards the product end of the bed, but without breakthrough. The bed is then countercurrently depressurized to a lower desorption pressure by releasing gas from the feed end of the bed, with or without subsequent purging at the lower desorption pressure value to enhance desorption and removal of the more readily adsorbable component, e.g. nitrogen in air separation, from the bed. After completion of this desorption/purging step, the bed can be partially repressurized to an intermediate pressure by introducing an oxygen-rich product at the product end of the bed. Subsequently, the bed is pressurized to its upper adsorption pressure when the cyclic PSA process sequence is continued with additional amounts of feed air being passed to the bed during each subsequent adsorption step. In a typical PSA cycle of the type described above, the forward flow of gas exceeds the reverse gas flow in the bed, resulting in a net forward flow.
Die Temperatur eines jeden Adsorptionsbetts variiert mit der Position und der Zeit während der zyklischen PSA-Vorgänge. Es stellte sich heraus, daß Druckänderungen einen dominierenden Effekt auf die lokale Temperatur innerhalb des Betts haben. Ein Absenken des Drucks verringert typischerweise die Temperatur sowohl des Gases in dem Bett als auch des Adsorptionsmittels. Ein Absenken des Drucks in den offenen Gasräumen in dem Adsorptionsgefäß verringert ebenfalls die lokale Gastemperatur darin. Die Temperaturverringerung bei verringertem Druck bewirkt, daß die Durchschnittstemperatur des zurückströmenden Niederdruck-Gasstroms niedriger ist als diejenige des vorwärtsströmenden Hochdruck-Gasstroms. Für typische PSA-Zyklen der Art, wie sie hier beschrieben werden, stellte sich heraus, daß der Vorwärtsstrom an Enthalpie anfänglich den Rückwärtsstrom an Enthalpie übersteigt, und daß ein Nettovorwärtsstrom an Enthalpie aus dem Bett heraus durch dessen Produktende bestellt. Während solche Bedingungen fortbestehen, neigt die Bett-Temperatur dazu, sich zu erniedrigen, bis sich die Enthalpieströme ausgleichen und ein dynamischer stationärer Zustand entsteht. Während es sich herausstellte, daß die meisten Systeme zu einem stationären Zustand neigen, wurden einige Beispiele beobachtet, wo eine unkontrollierte Temperaturdrift auftrat, wenn geeignete Mittel zur Temperatursteuerung nicht verwendet wurden.The temperature of each adsorption bed varies with position and time during PSA cycling. It has been found that pressure changes have a dominant effect on the local temperature within the bed. Lowering the pressure typically lowers the temperature of both the gas in the bed and the adsorbent. Lowering the pressure in the open gas spaces in the adsorption vessel also lowers the local gas temperature therein. The temperature reduction at reduced pressure causes the average temperature of the returning low pressure gas stream to be lower than that of the forward high pressure gas stream. For typical PSA cycles of the type described here, it has been found that the forward flow of enthalpy initially exceeds the reverse flow of enthalpy, and that a net forward flow of enthalpy orders out of the bed through its product end. While such conditions persist, the bed temperature tends to decrease until the enthalpy flows balance and a dynamic steady state is established. While most systems were found to tend toward a steady state, some examples were observed where uncontrolled temperature drift occurred when appropriate means of temperature control were not used.
Die lokale Temperaturverschiebung in dem Bett ist am größten, wo die lokale Änderung der Gesamtadsorption der leichter adsorbierbaren Komponente, und eines Teils der weniger leicht adsorbierbaren Komponente, auf dem Adsorptionsmittel am größten ist. Bei dem erfindungsgemäßen PSA-Sauerstoffprozeß erfolgt die größte Adsorptionsveränderung aufgrund der Adsorption von Stickstoff, und etwas Sauerstoff, nahe dem Einsatzende des Betts nach dem Entfernen von Wasserdampf und Kohlendioxid aus der Einsatzluft in dem Trocknungsabschnitt des Betts. Stromauf dieses Bereichs der größten Adsorptionsveränderung in dem Bett erzeugt die Adsorption von Wasserdampf und Kohlendioxid Wärme und kann ebenfalls große Temperaturveränderungen bewirken, jedoch treten diese Veränderungen hauptsächlich in solch einer Weise auf, daß der Vorwärtsgasstrom und der Rückwärtsgasstrom nahezu gleiche Durchschnittstemperaturen aufweisen. Um jedoch die als Ergebnis von Desorption in dem Trocknungsbereich des Betts erzeugte Kühlung zurückzuführen, ist eine thermische Regeneratorzone an dem Einsatzende des Betts stromauf des Trocknungsabschnitts des Betts angeordnet, wie dies in FIG. 1 gezeigt ist. In dem Stickstoffadsorptionsbereich kann der Rückwärtsstrom bis zu 90 % des Vorwärtsstroms von dem Einsatzende an Produkt des Betts ausmachen. Solche Bedingungen, kombiniert mit großen Temperaturunterschieden der vorwärts- bzw. rückwärtsströmenden Gasströme führen zu einem großen Abfall der lokalen Bett- Temperatur. Diese Unterschiede in dem thermischen Verhalten von unterschiedlichen Zonen führen zu großen axialen Temperaturgradienten in den Betten, die durch die erfindungsgemäßen Regeneratoren erhöht werden.The local temperature shift in the bed is greatest where the local change in total adsorption of the more readily adsorbable component, and a portion of the less readily adsorbable component, onto the adsorbent is greatest. In the PSA oxygen process of the present invention, the greatest adsorption change due to the adsorption of nitrogen, and some oxygen, occurs near the feed end of the bed after removal of water vapor and carbon dioxide from the feed air in the drying section of the bed. Upstream of this region of greatest adsorption change in the bed, the adsorption of water vapor and carbon dioxide generates heat and can also cause large temperature changes, but these changes occur primarily in such a way that the forward gas stream and the reverse gas stream have nearly equal average temperatures. However, to return the cooling generated as a result of desorption in the drying section of the bed, a thermal regenerator zone is located at the feed end of the bed upstream of the drying section of the bed, as shown in FIG. 1. In the nitrogen adsorption section, the reverse flow can account for up to 90% of the forward flow from the feed end to product of the bed Such conditions, combined with large temperature differences between the forward and backward flowing gas streams, lead to a large drop in the local bed temperature. These differences in the thermal behavior of different zones lead to large axial temperature gradients in the beds, which are increased by the regenerators according to the invention.
In FIG. 1 ist ein selbstkühlendes PSA-Bett gemäß der Erfindung gezeigt, das innerhalb eines allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichneten Adsorptionsbehälters angeordnet ist. Dieser Behälter weist eine Einsatzlufteinlaßleitung 2 auf, durch welche Einsatzluft zu einer unteren Verteileranordnung 3 fließt. Eine erste thermische Regeneratorzone 4, auf welche oben Bezug genommen wurde, ist oberhalb des Verteilerraums bzw. der Verteileranordnung 3 stromauf, d.h. unterhalb eines Trocknungsabschnitts 5, angeordnet. Der stromabwärtige, d.h. obere, Bereich des Trocknungsabschnitts 5 weist eine zweite thermische Regenerationszone 6 auf, wie sie hier beschrieben ist. Ein Adsorptionsbett 7 ist oberhalb des Trocknungsabschnitts 5 innerhalb des Behälters 1 angeordnet, und stellt darin den Hauptbereich für die gewünschte selektive Adsorption von Stickstoff aus Luft dar. Oberhalb des Adsorptionsbetts 7 weist der Behälter 1 eine obere Verteileranordnung 8 bzw. einen oberen Verteilerraum und eine Auslaßleitung 9 für Sauerstoffprodukt auf. Isolierte Wände 1A sind für den Behälter 1 vorgesehen, um in Verbindung mit anderen erfindungsgemäßen Elementen den Kühlungsverlust aus dem Behälter zu unterbinden. Solche anderen Elemente umfassen das Füllen des hier vorgesehenen unteren Verteilerraums und die Verwendung von einer oder zwei thermischen Regeneratorzonen bei besonderen Ausführungsformen der Erfindung. Eine solche Regeneratorzone ist an dem Einsatzende des Behälters unmittelbar stromab des unteren Verteilerraums angeordnet, und die andere Regeneratorzone umfaßt den stromabwärtigen Bereich des Vortrocknungsabschnitts, falls vorgesehen, unmittelbar stromauf der Hauptadsorptionsbettregion, die für die gewünschten Luftzerlegungszwecke verwendet wird.In FIG. 1, a self-cooling PSA bed according to the invention is shown arranged within an adsorption vessel, generally designated by the reference numeral 1. This vessel has a feed air inlet line 2 through which feed air flows to a lower manifold assembly 3. A first thermal regenerator zone 4 referred to above is arranged upstream of the manifold assembly 3, i.e., below a drying section 5. The downstream, i.e., upper, region of the drying section 5 has a second thermal regeneration zone 6, as described herein. An adsorption bed 7 is located above the drying section 5 within the vessel 1 and constitutes the main region therein for the desired selective adsorption of nitrogen from air. Above the adsorption bed 7, the vessel 1 has an upper manifold assembly 8 and an oxygen product outlet line 9. Insulated walls 1A are provided for the vessel 1 to prevent cooling loss from the vessel in conjunction with other elements of the invention. Such other elements include filling the lower manifold provided here and the use of one or two thermal regenerator zones in particular embodiments of the invention. One such regenerator zone is located at the feed end of the vessel immediately downstream of the lower manifold and the other regenerator zone comprises the downstream region of the predrying section, if provided, immediately upstream of the main adsorption bed region used for the desired air separation purposes.
Die Temperaturverschiebung eines Bettes aus Zeolithmolekularsiebmaterial, d.h. Material des Na-X-Typs, das sich ursprünglich in Gleichgewicht mit Luft befindet, beträgt allgemein etwa -5 ºC, wenn der Bettdruck von 125 kPa auf 50 kPa verändert wird. Für reinen Stickstoff, der derselben Druckabsenkung unterzogen wird, betrüge die Temperaturverschiebung etwa -6 ºC, während für reinen Sauerstoff die Verschiebung nur etwa -2 ºC betrüge. Dies ist zu erwarten, da Stickstoff stärker adsorbiert wird und eine größere Adsorptionswärme als Sauerstoff aufweist. Für die bezeichnete Verschiebung von -5 ºC, bei einem Rückwärtsstrom von etwa 90 % des Vorwärtsstrom, wurde der Temperaturabfall auf etwa -45 ºC bestimmt. Dieser Abfall tritt wahrscheinlich nahe dem Einsatzende der Stickstoffadsorptionszone, d.h. des Adsorptionsbetts 7 von FIG. 1, auf, wobei kleinere Temperaturabfälle weiter stromab in dem Bett auftreten. Auf diese Weise wird eine wesentliche Menge an interner Kühlung spontan im Verlauf solcher transatmosphärischer PSA-Prozeßzyklen erzeugt. Es stellte sich heraus, daß eine solche intern erzeugte Kühlung für superatmosphärische Hochdruck-PSA-Zyklen noch größer ist, was die Beobachtungen von Collins bestätigt.The temperature shift of a bed of zeolite molecular sieve material, i.e. Na-X type material, initially in equilibrium with air is generally about -5ºC when the bed pressure is changed from 125 kPa to 50 kPa. For pure nitrogen subjected to the same pressure reduction, the temperature shift would be about -6ºC, while for pure oxygen the shift would be only about -2ºC. This is to be expected since nitrogen is more strongly adsorbed and has a greater heat of adsorption than oxygen. For the designated shift of -5ºC, with a reverse flow of about 90% of the forward flow, the temperature drop was determined to be about -45ºC. This drop probably occurs near the feed end of the nitrogen adsorption zone, i.e. adsorption bed 7 of FIG. 1, with smaller temperature drops occurring further downstream in the bed. In this way, a substantial amount of internal cooling is spontaneously generated during such transatmospheric PSA process cycles. It turns out that such internally generated cooling is even larger for superatmospheric high pressure PSA cycles, confirming Collins' observations.
In der anschaulichen Praxis der Erfindung wurden, um das Zurückhalten der intern erzeugten Eigenkühlung zu steuern und die Durchschnittstemperatur des Adsorptionsbettes zu verringern, Simulationen basierend auf Adsorptions-Desorptions-Drücken von 125 bzw. 50 kPa für PSA-Verarbeitungsvorgänge verwendet, welche Molekularsiebadsorptionsmittel des Zeolith- Na-X-Typs verwendeten, um eine Sauerstofferzeugung von 15 t pro Tag bei einer Reinheit von 93 % Sauerstoff zu erzielen.In the illustrative practice of the invention, to control the retention of internally generated self-cooling and reduce the average temperature of the adsorption bed, simulations based on adsorption-desorption pressures of 125 and 50 kPa, respectively, were used for PSA processing operations using zeolite Na-X type molecular sieve adsorbents to achieve oxygen production of 15 tons per day at 93% oxygen purity.
Der isolierte PSA-Behälter weist beispielsweise einen unteren Verteilerraum mit einer Höhe von etwa 15,2 cm (6 inch), einen 2,54 cm (1 inch) Regeneratorabschnitt, einen 20,3 cm (8 inch) Trocknungsabschnitt, der Trocknungsmittel für das Entfernen von Wasser, Kohlendioxid, schweren Kohlenwasserstoffen und ähnlichem enthält, einen 127 cm (50 inch) Adsorptionsmittelabschnitt für die selektive Adsorption von Stickstoff aus Einsatzluft sowie einen oberen Verteilerraum von etwa 17,8 cm (7 inch) auf. Eine herkömmliche Isolation mit einer Dicke von etwa 5,1 cm (2 inch) wurde verwendet, um den Kühlungsverlust in dem Behälter zu minimieren. Für Zwecke der Erfindung ist der untere Verteilerraum bzw. die untere Verteileranordnung mit 0,8 cm (5/16 inch) leitenden Messingkugeln gefüllt, um einen thermischen Zyklus aufgrund der Kompressions- und Expansionsarbeit des Gases darin zu verhindern. Die Kugeln dienen dazu, das gesamte Gasvolumen darin in der Größenordnung von etwa 60 % zu verringern, um so direkt die Kompressions- und Expansionsarbeit, und den thermischen Zyklus, um den gleichen Betrag zu verringern. Ferner absorbieren die leitenden Kugeln Wärme aus dem Gas und setzen Wärme daraus frei und verringern somit die thermischen Schwankungen noch weiter. Es stellte sich heraus, daß der Anstieg der Stickstoffadsorptionsmitteltemperatur aufgrund der Kompressions- und Expansionsarbeit in der Verteileranordnung proportional zu dem Produkt des Leervolumens der Verteileranordnung und des Druckwechsels dividiert durch die Netto-Sauerstoffproduktrate ist. Somit sollte das Leerraumvolumen der Verteileranordnung niedrig im Vergleich zu der Netto-Produktstromrate gehalten werden, insbesondere wenn die Differenz zwischen Adsorptionsdruck und Desorptionsdruck groß ist.For example, the insulated PSA vessel includes a lower plenum having a height of about 6 inches (15.2 cm), a 1 inch (2.54 cm) regenerator section, an 8 inch (20.3 cm) desiccant section containing desiccants for removing water, carbon dioxide, heavy hydrocarbons and the like, a 50 inch (127 cm) adsorbent section for selectively adsorbing nitrogen from feed air, and an upper plenum of about 7 inches (17.8 cm). Conventional insulation having a thickness of about 2 inches (5.1 cm) was used to minimize cooling loss in the vessel. For purposes of the invention, the lower plenum or manifold assembly is filled with 5/16 inch (0.8 cm) conductive brass balls to prevent thermal cycling due to the work of compression and expansion of the gas therein. The balls serve to reduce the total gas volume therein by on the order of about 60%, thus directly reducing the compression and expansion work, and the thermal cycle by the same amount. Furthermore, the conductive balls absorb heat from the gas and release heat from it, thus reducing the thermal fluctuations even further. It was found that the rise in nitrogen adsorbent temperature due to the compression and expansion work in the manifold assembly is proportional to the product of the manifold assembly void volume and the pressure swing divided by the net oxygen product rate. Thus, the manifold assembly void volume should be kept low compared to the net product flow rate, especially when the difference between adsorption pressure and desorption pressure is large.
Der erste bzw. untere Regeneratorabschnitt ist mit Kupferkugeln mit einer Teilchengröße von 1,68 bis 2 mm (10x12 mesh) gefüllt, die zwischen Trenngittern gehalten werden, um einen Verlust der Kugeln oder das Eindringen von Adsorptionsmittelteilchen aus dem Adsorptionsmittelbettabschnitt des Behälters zu verhindern. Dieser Regeneratorabschnitt kann Kälte auf niedrigem Pegel aus den nach unten strömenden Gasströmen aufnehmen und an die oben nach oben strömenden Gasströme abgeben. Dies ist erforderlich, wenn der Trocknungsabschnitt hohe Konzentrationen an Wasser und anderen Verunreinigungen der Einsatzluft bewältigen muß, die große Adsorptionswärmen aufweisen, und wenn kein Trocknungsabschnitt verwendet wird. Dieser Regeneratorabschnitt ist auch erforderlich, falls das in dem Trocknungsabschnitt verwendete Trocknungsmittel wesentliche Mengen an Stickstoff oder Sauerstoff/Argon aus dem Einsatzluftstrom adsorbieren kann.The first or lower regenerator section is filled with copper balls with a particle size of 1.68 to 2 mm (10x12 mesh) held between separating grids to prevent loss of the balls or ingress of adsorbent particles from the adsorbent bed section of the vessel. This regenerator section can Collect low level cold from the downward flowing gas streams and transfer it to the upward flowing gas streams above. This is required when the drying section must deal with high concentrations of water and other impurities in the feed air which have large heats of adsorption and when a drying section is not used. This regenerator section is also required if the desiccant used in the drying section is capable of adsorbing significant amounts of nitrogen or oxygen/argon from the feed air stream.
Wie oben angedeutet, ist die Trocknungsmittellage erforderlich, um stark adsorbierte Verunreinigungen, wie beispielsweise Wasserdampf, Kohlendioxid und schwere Kohlenwasserstoffe, zu entfernen, bevor sie den Stickstoffadsorptionsmittelbereich des Adsorptionsmittelbehälters erreichen. Solche Verunreinigungen sind schwieriger als Stickstoff von dem stickstoffselektiven Adsorptionsmittel zu desorbieren und würden folglich die Leistung des PSA- Systems verringern. Ferner würden solche Verunreinigungen den thermischen Zyklus in dem Stickstoffadsorptionsmittelbereich verringern und würden folglich die in der Praxis der Erfindung erwünschten Eigenkühlungseffekte verringern. Andererseits sollte das Trocknungsmittel keine wesentlichen Mengen an Stickstoff, Sauerstoff oder Argon adsorbieren, da eine solche unerwünschte Adsorption die Leistung der Trocknungsmittellage verringern würde. In der typischen Praxis wird die Trocknungsmittellage hauptsächlich nahe der Temperatur des Einsatzluftstroms betrieben, d.h. bei einer Temperatur, die höher ist als die des Stickstoffadsorptionsmittelbereichs.As indicated above, the desiccant layer is required to remove strongly adsorbed contaminants, such as water vapor, carbon dioxide, and heavy hydrocarbons, before they reach the nitrogen adsorbent region of the adsorbent vessel. Such contaminants are more difficult than nitrogen to desorb from the nitrogen selective adsorbent and would thus reduce the performance of the PSA system. Furthermore, such contaminants would reduce the thermal cycle in the nitrogen adsorbent region and would thus reduce the self-cooling effects desired in the practice of the invention. On the other hand, the desiccant should not adsorb significant amounts of nitrogen, oxygen, or argon, since such undesirable adsorption would reduce the performance of the desiccant layer. In typical practice, the desiccant layer is operated primarily near the temperature of the feed air stream, i.e., at a temperature higher than that of the nitrogen adsorbent region.
Falls das verwendete Trocknungsmittel Aluminiumoxid oder ein anderes relativ schweres Adsorptionsmittel ist, können die verwendeten Trocknungsmittelteilchen kleiner als die für das stickstoffselektive Adsorptionsmittel verwendeten sein, da sie nicht so leicht angehoben und von den nach oben strömenden Strömen mitgerissen werden.If the desiccant used is alumina or another relatively heavy adsorbent, the desiccant particles used can be smaller than those used for the nitrogen selective adsorbent because they are not as easily lifted and entrained by the upward flowing streams.
Kein getrennter zweiter Regeneratorabschnitt ist zwischen der Trocknungsmittellage und dem Sorptionsmittelbett erforderlich, wenn der erste Regeneratorabschnitt gut arbeitet, da der obere Bereich der Trocknungsmittellage selbst als ausreichender Regeneratorabschnitt wirkt, während er auch zur Vervollständigung des Entfernens der stark adsorbierten Verunreinigungen beiträgt.No separate second regenerator section is required between the desiccant layer and the sorbent bed if the first regenerator section is working well, since the upper region of the desiccant layer itself acts as a sufficient regenerator section, while also contributing to completing the removal of the strongly adsorbed contaminants.
Der stickstoffselektive Adsorptionsmittelbereich ist mit Betten aus Na-X-Zeolith mit einer Teilchengröße von 1,68 mm bis 2,38 mm (8x12 mesh) mit einem Siliziumoxid/Aluminiumoxid-Verhältnis von etwa 2,0 mit weniger als 5 g /kg Wasserlast gefüllt.The nitrogen selective adsorbent section is filled with beds of Na-X zeolite with a particle size of 1.68 mm to 2.38 mm (8x12 mesh) with a silica/alumina ratio of about 2.0 with less than 5 g/kg water load.
Die obere Verteileranordnung ist mit Kugeln oder anderen Objekten gepackt, um einen Kompressions-Energieverlust zu verringern, jedoch ist es nicht erforderlich, die thermischen Schwankungen an dieser oberen Verteileranordnung zu verringern. Solche thermischen Schwankungen führen zu keiner wesentlichen Beeinträchtigung der Eigenkühlung des Stickstoffadsorptionsmittelbereichs des Behälters. Es sei ferner angemerkt, daß kein Regenerator zwischen dem oberen Verteilerraum und dem Stickstoffadsorptionsmittelbereich erforderlich ist, da in jedem Fall wenig Wärme von dem oberen Verteilerraum nach unten in den Sticksoffadsorptionsmittelbereich geleitet wird.The upper manifold assembly is packed with balls or other objects to reduce compression energy loss, but it is not necessary to increase the thermal Such thermal fluctuations do not significantly affect the self-cooling of the nitrogen adsorbent region of the vessel. It should also be noted that no regenerator is required between the upper manifold and the nitrogen adsorbent region since little heat is conducted from the upper manifold downward into the nitrogen adsorbent region in any event.
Da der Haupttemperaturabfall zwischen der Trocknungsmittellage und dem Stickstoffadsorptionsmittelbereich auftritt, der bei einer niedrigen Temperatur betrieben werden muß, ist es möglicherweise nicht ohne weiteres offensichtlich, warum in der Praxis der Erfludung ein erster Regeneratorabschnitt in dem Behälter unterhalb der Trocknungsmittellage angeordnet ist. Der Grund für das Anordnen dieses ersten Regeneratorabschnitts unterhalb der Trocknungsmittellage besteht darin, zu verhindern, daß Adsorptionswärme aus Wasser Wärme in und durch die Trocknungsmittellage und dann in den Stickstoffadsorptionsmittelbereich pumpt. In hoher Konzentration aus der in die Trocknungsmittellage eintretenden Einsatzluft adsorbiertes Wasser bewirkt einen Temperaturanstieg an dem unteren Ende der Trocknungsmittellage. Der Einsatzluftstrom nimmt die Wärme als Enthalpie auf und trägt sie ein kurzes Stück nach oben. Während den Schritten des Gesamt-PSA-Zyklus mit einer Strömung nach unten bei geringem Druck kühlt die Desorption von Wasser das untere Ende der Trocknungsmittellage und kühlt das nach unten strömende Gas. Das Gas trägt die Kälte ein kurzes Stück nach unten. Die Erwärmungs- und Kühlungseffekte sind gleich, wenn der Prozeß einen stationären Zustand erreicht. Da das meiste der Kühlung an dem Eingang zu der Trocknungsmittellage geschieht, verläßt jedoch ein Teil der Kühlung die Trocknungsmittellage während eines jeden PSA-Verarbeitungszyklus. Diese Kühlung ginge mit dem den Adsorptionsbehälter verlassenden Abgas verloren, außer es wird der erste Regenerationsabschnitt angeordnet, um die Kühlung aus dem Abgas zu adsorbieren und sie für eine vorteilhafte Verwendung in der Praxis zu speichern. Der erste Regeneratorabschnitt ist ausgelegt, um die Kälte zu speichern und sie dann während des nächsten Schritts des PSA-Zyklus mit nach oben strömendem Gas zu der Trocknungsmittellage zurückzuführen. Wenn dies ausgeführt wird, wird die Wasseradsorptionswärme durch die rückgewonnene Kälte ausgeglichen, und diese Adsorptionswärme gelangt nicht durch die Trocknungsmittellage nach oben zu dem Stickstoffadsorptionsbereich des Behälters.Since the main temperature drop occurs between the desiccant layer and the nitrogen adsorbent region, which must operate at a low temperature, it may not be readily apparent why, in practice, a first regenerator section is located in the vessel below the desiccant layer. The reason for locating this first regenerator section below the desiccant layer is to prevent heat of adsorption from water from pumping heat into and through the desiccant layer and then into the nitrogen adsorbent region. Water adsorbed in high concentration from the feed air entering the desiccant layer causes a temperature rise at the lower end of the desiccant layer. The feed air stream absorbs the heat as enthalpy and carries it upward a short distance. During the low pressure, downward flow steps of the overall PSA cycle, desorption of water cools the lower end of the desiccant layer and cools the downward flowing gas. The gas carries the cold down a short distance. The heating and cooling effects are equal when the process reaches steady state. However, since most of the cooling occurs at the entrance to the desiccant layer, some of the cooling leaves the desiccant layer during each PSA processing cycle. This cooling would be lost with the exhaust gas leaving the adsorption vessel unless the first regeneration section is arranged to adsorb the cooling from the exhaust gas and store it for advantageous use in practice. The first regenerator section is designed to store the cold and then return it to the desiccant layer with upwardly flowing gas during the next step of the PSA cycle. When this is done, the water adsorption heat is balanced by the recovered cold and this adsorption heat does not pass up through the desiccant layer to the nitrogen adsorption region of the vessel.
Es versteht sich, daß das obere Ende der Trocknungsmittellage nur mit geringen Konzentrationen an Wasser oder anderen stark adsorbierten Verunreinigungen konfrontiert ist, und somit zugleich als ein effizienter zweiter Regeneratorabschnitt wirkt. Als Regenerator wird das obere Ende ohne weiteres die in dem Stickstoffbereich erzeugte Kälte aufnehmen und sie zu dem Einsatzgasstrom übertragen, der während des nächsten Abschnitts des zyklischen Bearbeitungsvorgangs in diesem Bereich des Behälters nach oben strömt.It is understood that the upper end of the desiccant layer is confronted with only low concentrations of water or other strongly adsorbed contaminants, and thus acts simultaneously as an efficient second regenerator section. As a regenerator, the upper end will readily absorb the cold generated in the nitrogen region and to the feed gas stream flowing upward in that region of the vessel during the next portion of the cyclic processing operation.
Bei der Lehre von Izami et al., auf welche oben Bezug genommen wurde, ist ein Regeneratorbereich nur zwischen der Trocknungsmittellage und dem Stickstoffadsorptionsbereich plaziert. Dies ist viel weniger effektiv als die erfindungsgemäße Anordnung, da die in der Trocknungsmittellage erzeugte Kälte mindestens zum Teil verlorengeht und dieser Verlust unabhängig von der Regeneratoreffizienz zu höheren Temperaturen in dem Stickstoffadsorptionsbereich führt. Wie oben erwähnt, wirkt das obere Ende der Trocknungsmittellage zugleich so, daß Spuren von stark adsorbierten Verunreinigungen entfernt werden und daß es als Regenerator dient. Diese beiden Funktionen der Trocknungsmittellage stehen einander nicht entgegen, sondern sorgen statt dessen für einen höchst wünschenswerten Synergieeffekt für einen effizienteren Betrieb eines PSA-Verfahrens und -Systems.In the teaching of Izami et al. referred to above, a regenerator region is placed only between the desiccant layer and the nitrogen adsorption region. This is much less effective than the arrangement of the invention because at least some of the cold generated in the desiccant layer is lost and this loss leads to higher temperatures in the nitrogen adsorption region regardless of the regenerator efficiency. As mentioned above, the top of the desiccant layer simultaneously functions to remove traces of strongly adsorbed contaminants and to serve as a regenerator. These two functions of the desiccant layer are not mutually exclusive but instead provide a highly desirable synergistic effect for more efficient operation of a PSA process and system.
Zur wesentlichen Verringerung des Leerraums beim Füllen der unteren Verteileranordnung des Adsorptionsmittelbehälters ist es wichtig, daß die verwendeten Teilchen, wie beispielsweise die leitenden Teilchen, die oben beschrieben wurden, groß genug sind, um das Erzeugen von großen Druckabfällen zu verhindern, welche wesentlich zu dem Gesamtadsorberdruckabfall beitragen würden oder eine Strömungsfehlverteilung durch wesentliche seitliche Druckgradienten in dem Endraum bewirken würden.In order to substantially reduce the void space when filling the lower manifold assembly of the adsorbent vessel, it is important that the particles used, such as the conductive particles described above, be large enough to avoid creating large pressure drops which would significantly contribute to the overall adsorbent pressure drop or cause flow maldistribution through significant lateral pressure gradients in the end space.
Es versteht sich, daß auch andere leitende Elemente als die Kupferkugeln mit einer Teilchengröße von 1,68 bis 2,0 mm (10x12 mesh), welche oben erwähnt wurden, in dem ersten oder dem unteren Regeneratorabschnitt verwendet werden können. Vorzugsweise ist der Regenerator mit leitenden Elementen gefüllt, die Metallteilchen mit einer etwas geringeren thermischen Leitfähigkeit als Kupfer aufweisen. Beispielsweise sind Materialien mit einer Leitfähigkeit von etwa der Hälfte bis etwa 1/10 von derjenigen von Kupfer wünschenswert, so daß die axiale Leitfähigkeit verringert wird, ohne daß eine übermäßige Verringerung der Effizienz des thermischen Austauschs von Gas zu Feststoff auftritt. Jede wesentliche weitere Verringerung der thermischen Leitfähigkeit des Materials in dem ersten Regeneratorabschnitt würde zur Verringerung der Regeneratorleistung dienen und würde einen gewissen Anstieg der Tiefe des ersten Regeneratorabschnitts erfordern. Für Zwecke der Erfindung sollte die Leitfähigkeit des Materials in dem ersten Regenerator so gewählt sein, daß sie, zusammen mit der Menge und der Größe dieses verwendeten Materials, ein Speichern der Kälte in dem zurückströmenden Strom während des Desorptionsabschnitts der in dem Adsorptionsmittelbett ausgeführten Verarbeitungsabfolge erlaubt. Eine solche Leitfähigkeit beträgt vorzugsweise zwischen etwa 430 und etwa 0,85 W/m K (etwa 250 bis etwa 0,5 BTU/ºF/ft/ft²/h), vorzugsweise von etwa 260 bis etwa 26 W/m K (etwa 150 bis etwa 15 BTU/ºF/ft/ft²/h). Aluminium, Stahl und Gußeisen sind geeignete Materialien für diesen Zweck, sowie Kupfer, wie oben beschrieben. Lose gepackte Regeneratorteilchen sollten in der Größe so gewählt sein, daß ein Mitreißen während des Nach-oben-Strömens von Gas oder eine horizontale Bewegung während eines horizontalen Gasstroms verhindert wird. Die Teilchen können mindestens in der gleichen Größe und Dichte wie die in dem Adsorptionsmittelbereich verwendeten Teilchen gewählt werden. Regeneratoren in Form von Abschirmungen, Gittern oder ähnlichen Strukturen sind einem solchen Mitreißen nicht ausgesetzt und können größeren Kräften ausgesetzt werden, ohne daß eine unbeabsichtigte Bewegung auftritt.It will be understood that conductive elements other than the 1.68 to 2.0 mm (10x12 mesh) particle size copper balls mentioned above may be used in the first or lower regenerator sections. Preferably, the regenerator is filled with conductive elements comprising metal particles having a thermal conductivity somewhat lower than copper. For example, materials having a conductivity of about one-half to about 1/10 that of copper are desirable so that axial conductivity is reduced without undue reduction in gas-to-solid thermal exchange efficiency. Any substantial further reduction in the thermal conductivity of the material in the first regenerator section would serve to reduce regenerator performance and would require some increase in the depth of the first regenerator section. For purposes of the invention, the conductivity of the material in the first regenerator should be selected so that, together with the amount and size of such material used, it allows storage of cold in the return stream during the desorption portion of the processing sequence carried out in the adsorbent bed. Such conductivity is preferably from about 430 to about 0.85 W/m K (about 250 to about 0.5 BTU/ºF/ft/ft²/hr), preferably from about 260 to about 26 W/m K (about 150 to about 15 BTU/ºF/ft/ft²/hr). Aluminum, Steel and Cast Iron are suitable materials for this purpose, as well as copper as described above. Loosely packed regenerator particles should be sized to prevent entrainment during upward flow of gas or horizontal movement during horizontal gas flow. The particles may be selected to be at least the same size and density as the particles used in the adsorbent region. Regenerators in the form of shields, grids or similar structures are not subject to such entrainment and can be subjected to greater forces without inadvertent movement occurring.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, Regeneratorabschnitte zu verwenden, die nicht von dem oben erwähnten zylindrischen Axialstromtyp sind. Beispielsweise können Gitterstapel verwendet werden, und falls gewünscht, können sie durch dünne Lagen von Kugeln oder anderen Teilchen mit niedriger oder mäßiger thermischer Leitfähigkeit getrennt sein. Das Regeneratormaterial muß nicht in Kugelform vorliegen und kann aus Pellets, unregelmäßigen Teilchen, Fasermatten, porösen Platten oder Teilchen zusammengesetzt sein, die mittels Sintern oder Binden zu porösen Strukturen geformt sind. Bei einem Radialstromadsorptionssystem kann der Regenerator in der allgemeinen Form einer zylindrischen Lage vorliegen, welche die Einsatzendeverteileranordnung, entweder extern oder intern, unterteilt.It is within the scope of the invention to use regenerator sections other than the cylindrical axial flow type mentioned above. For example, grid stacks may be used and, if desired, they may be separated by thin layers of spheres or other particles of low or moderate thermal conductivity. The regenerator material need not be in spherical form and may be composed of pellets, irregular particles, fiber mats, porous plates or particles formed into porous structures by sintering or bonding. In a radial flow adsorption system, the regenerator may be in the general form of a cylindrical layer which divides the feed end manifold assembly, either externally or internally.
Ein erster Regenerator aus herkömmlichen Platten- und Rippen-Kernen ist in der Praxis der Erfindung wegen der sich daraus ergebenden erhöhten axialen Leitung nicht erwünscht. Der erste Regenerator sollte in jedem Fall ein mäßig geringes Leerraumvolumen aufweisen, um einen thermischen Zyklus aufgrund der Existenz von reversibler Kompressions- und Expansionsarbeit in dem Regenerator selbst zu vermeiden. Wie oben erwähnt, ist das Anordnen des ersten Regenerators unterhalb der Trocknungsmittellage ein wichtiges Merkmal der Erfindung, und dies ist von besonderer Bedeutung, wenn der Wassergehalt der Einsatzluft hoch ist.A first regenerator made of conventional plate and fin cores is not desirable in the practice of the invention because of the resulting increased axial conduction. The first regenerator should in any event have a moderately low void volume in order to avoid thermal cycling due to the existence of reversible compression and expansion work in the regenerator itself. As mentioned above, locating the first regenerator below the desiccant layer is an important feature of the invention and this is of particular importance when the water content of the feed air is high.
Es versteht sich, daß bei der Erfindung die Verwendung von NaX-Zeolith nicht auf die Ausführungsform mit einem Siliziumoxid/Aluminiumoxid-Verhältnis von etwa 2,0 beschränkt ist, wie dies in dem obigen veranschaulichenden Beispiel erwähnt wurde. Es liegt im Rahmen der Erfindung, NaX-Zeolithe mit Siliziumoxid/Aluminiumoxid-Verhältnissen von etwa 2,0 bis etwa 2,6, vorzugsweise von weniger als etwa 2,4, z.B. etwa 2,0 bis etwa 2,4, zu verwenden. Die Wasserlast des in der Praxis der Erfindung als Adsorptionsmittel verwendeten NaX-Zeolithen sollte weniger als etwa 25 g Wasser pro kg, vorzugsweise weniger als etwa 10 g Wasser pro kg, am stärksten bevorzugt weniger als 3 g pro kg, betragen. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, Zeolithe des Typs 5A oder 4A zu verwenden. Solche Adsorptionsmittel sind nur mäßig stark stickstoff-selektive Adsorptionsmittel des Gleichgewichtstyps. Stark stickstoff- selektive Adsorptionsmittel des Gleichgewichtstyps, die mittels Ionenaustausch von NaX- Zeolithen hergestellt werden, wie beispielsweise LiX und CaX, sollten nicht in dem Tieftemperaturbereich der Adsorptionsmittelbetten verwendet werden, da die Desorption von Stickstoff aus solchen Adsorptionsmitteln bei den niedrigen Temperaturen, wie sie in Eigenkühlungszyklen erreicht werden, schwierig wird. Jedoch können solche stark stickstoff-selektiven Adsorptionsmittel mit Vorteil in den Bereichen mit höherer Temperatur nahe dem Produktende des Betts verwendet werden. Ratenselektive Adsorptionsmittel, wie beispielsweise Kohlenstoffadsorptionsmittel, die Sauerstoff anstelle von Stickstoff auf einer ratenselektiven Basis selektiv adsorbieren, sollten ebenfalls nicht verwendet werden, da es schwieriger ist die erforderliche Eigenkühlung bei effizienten Lufterzerlegungszyklen unter Verwendung solcher Adsorptionsmittel zu erzeugen.It is to be understood that in the invention the use of NaX zeolite is not limited to the embodiment having a silica/alumina ratio of about 2.0 as mentioned in the above illustrative example. It is within the scope of the invention to use NaX zeolites having silica/alumina ratios of about 2.0 to about 2.6, preferably less than about 2.4, e.g. about 2.0 to about 2.4. The water load of the NaX zeolite used as an adsorbent in the practice of the invention should be less than about 25 g water per kg, preferably less than about 10 g water per kg, most preferably less than 3 g per kg. It is also within the scope of the invention to use zeolites of type 5A or 4A. Such adsorbents are only moderately highly nitrogen-selective equilibrium type adsorbents. Strongly nitrogen-selective adsorbents of the equilibrium type, which are prepared by ion exchange of NaX- Zeolites, such as LiX and CaX, should not be used in the low temperature region of the adsorbent beds because desorption of nitrogen from such adsorbents becomes difficult at the low temperatures achieved in self-cooling cycles. However, such highly nitrogen-selective adsorbents can be used to advantage in the higher temperature regions near the product end of the bed. Rate-selective adsorbents, such as carbon adsorbents, which selectively adsorb oxygen instead of nitrogen on a rate-selective basis, should also not be used because it is more difficult to produce the required self-cooling in efficient air separation cycles using such adsorbents.
Es sei angemerkt, daß gewöhnlich in der Praxis der Erfindung zu zerlegende Einsatzluft Wasserdampf, Kohlendioxid und andere stark adsorbierte Verunreinigungen enthält, die durch die Trocknungsmittellage entfernt werden. Falls jedoch andererseits die Einsatzluft frei von solchen Verunreinigungen ist, kann die Trocknungsmittellage weggelassen werden. In einem solchen Fall werden alle anderen Elemente des erfindungsgemäßen PSA-Systems weiter wie oben beschrieben und in FIG. 1 gezeigt verwendet, einschließlich des ersten Regeneratorabschnitts, der über der unteren Verteileranordnung angeordnet ist. Diese Elemente würden in der Größe so bemessen werden, wie dies oben für das veranschaulichende Beispiel beschrieben wurde. In diesem Fall würde der erste Regeneratorabschnitt dazu dienen, die Regenerationsfunktion des oberen Abschnitts der Trocknungsmittellage zu erfüllen, und würde somit den Verlust von erwünschter Kälte aus dem Stickstoffadsorptionsmittelbereich des Behälters in die untere Verteileranordnung blockieren oder verhindern.It should be noted that feed air to be separated in the practice of the invention usually contains water vapor, carbon dioxide and other strongly adsorbed contaminants which are removed by the desiccant layer. On the other hand, if the feed air is free of such contaminants, the desiccant layer may be omitted. In such a case, all other elements of the PSA system of the invention would continue to be used as described above and shown in FIG. 1, including the first regenerator section located above the lower manifold assembly. These elements would be sized as described above for the illustrative example. In this case, the first regenerator section would serve to perform the regeneration function of the upper section of the desiccant layer and would thus block or prevent the loss of desirable refrigeration from the nitrogen adsorbent region of the vessel into the lower manifold assembly.
Die Erfindung kann in PSA-Systemen mit einem oder mehreren Adsorptionsmittelbetten praktisch verwendet werden, wobei Systeme mit zwei bis vier Betten allgemein bevorzugt sind, obschon Systeme mit einer größeren Anzahl von Betten, bis zu 10 bis 12 Betten oder mehr, ebenso verwendet werden können. FIG. 2 veranschaulicht ein normales Zweibett-PSA- System, das für die erwünschte Luftzerlegung zur Erzeugung von Sauerstoffprodukt verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform wird Einsatzluft in einer Leitung 10 in einem Luftverdichter 11 komprimiert und gelangt zwecks Kühlung zu einem Nachkühler 12, ehe sie entweder zu einem Adsorptionsmittelbett 13 oder zu einem Adsorptionsmittelbett 14 in Abhängigkeit von dem Abschnitt der in den Betten zu jedem vorgegebenen Zeitpunkt in dem Gesamtzyklus auszuführenden Gesamt-PSA-Verarbeitungsabfolge geleitet wird. Eine Leitung 15, die eine Ventilanordnung 16 enthält, ist ausgelegt, um Einsatzluft zwecks Überleitung zu dem Einsatzende bzw. unteren Ende des Betts 13 zu einer Leitung 17 zu leiten. Die Leitung 17 ist auch mit einer Leitung 18, die eine Ventilanordnung 19 enthält, zwecks Abziehen von überschüssigem Stickstoff von dem Bett 18 zwecks Überleitung zu einer Leitung 20 zum Freisetzen aus dem System verbunden. Auf ähnliche Weise ist eine Leitung 21, die eine Ventilanordnung 22 enthält, für das Überleiten von Einsatzluft zu einer Leitung 23 zwecks Einleiten in das untere Ende des Betts 14 vorgesehen. Eine Leitung 24, welche eine Ventilanordnung 25 enthält, ist vorgesehen, um überschüssiges Stickstoffgas zwecks Freisetzung aus dem System zu der Leitung 20 zu leiten. Es versteht sich, daß dieser Strom an überschüssigem Stickstoff die leichter adsorbierbare Stickstoffkomponente enthält, die während des Desorptionsschritts des Prozesses mit niedrigerem Druck von dem Bett desorbiert und entfernt wird.The invention may be practiced in PSA systems having one or more adsorbent beds, with systems having two to four beds generally being preferred, although systems having a greater number of beds, up to 10 to 12 beds or more, may also be used. FIG. 2 illustrates a typical two-bed PSA system used for the desired air separation to produce oxygen product. In this embodiment, feed air in line 10 is compressed in an air compressor 11 and passed to an aftercooler 12 for cooling before being passed to either an adsorbent bed 13 or an adsorbent bed 14, depending on the portion of the overall PSA processing sequence to be carried out in the beds at any given time in the overall cycle. A line 15 containing a valve assembly 16 is adapted to pass feed air to line 17 for transfer to the feed end or lower end of bed 13. The line 17 is also connected to a line 18 containing a valve arrangement 19 for the purpose of removing excess Nitrogen from bed 18 is connected to a line 20 for release from the system. Similarly, a line 21 containing a valve assembly 22 is provided for passing feed air to a line 23 for introduction into the lower end of bed 14. A line 24 containing a valve assembly 25 is provided for passing excess nitrogen gas to line 20 for release from the system. It will be understood that this excess nitrogen stream contains the more readily adsorbable nitrogen component which is desorbed and removed from the bed during the lower pressure desorption step of the process.
An dem unteren Ende des Betts 13 ist eine Leitung 26, die eine Ventilanordnung 27 enthält, vorgesehen, um die schwieriger adsorbierbare Komponente der Einsatzluft, d.h. Sauerstoff, welche von dem oberen Abschnitt des Betts 13 entfernt wird, zwecks Gewinnung als das gewünschte Sauerstoffprodukt des Luftzerlegungsprozesses zu einer Leitung 28 zu leiten. Auf ähnliche Weise ist eine Leitung 29, welche eine Ventilanordnung 30 enthält, vorgesehen, um auf ähnliche Weise schwieriger adsorbierbaren Sauerstoff von dem oberen Abschnitt des Betts 14 zwecks Gewinnung als das Sauerstoffproduktgas zu der Leitung 28 zu leiten. Es versteht sich, daß eine Leitung 31, die eine Ventilanordnung 32 aufweist, vorgesehen ist, um für eine Fluidverbindung zwischen den Leitungen 26 und 29 zu sorgen, so daß Gas, welches von dem oberen Abschnitt eines Bettes, welches eine Entspannung von seinem oberen Adsorptionsdruck erfährt, geleitet wird, zwecks Druckausgleich zwischen den Betten zu dem anderen Bett geleitet werden kann, welches anfänglich einen geringeren Druck aufweist, so daß die Druckanforderungen der zyklischen Abfolge von Adsorption bei höherem Druck - Desorption bei niedrigerem Druck in jedem Bett minimiert werden kann.At the lower end of the bed 13, a line 26 containing a valve arrangement 27 is provided for conducting the more difficultly adsorbable component of the feed air, i.e. oxygen, which is removed from the upper portion of the bed 13, to a line 28 for recovery as the desired oxygen product of the air separation process. Similarly, a line 29 containing a valve arrangement 30 is provided for similarly conducting more difficultly adsorbable oxygen from the upper portion of the bed 14 to the line 28 for recovery as the oxygen product gas. It will be understood that a line 31 having a valve arrangement 32 is provided to provide fluid communication between lines 26 and 29 so that gas conducted from the upper portion of a bed undergoing relaxation from its upper adsorption pressure can be conducted to the other bed initially at a lower pressure for pressure equalization between the beds so that the pressure requirements of the cyclic sequence of higher pressure adsorption - lower pressure desorption in each bed can be minimized.
Bei sehr großen PSA-Luftzerlegungsanlagen können mehrere Adsorptionsmittelbetten zwecks Parallelstrom zu einer Verarbeitungsbank verbunden werden. Alle diese Betten durchlaufen dann die gleiche Verarbeitungsabfolge zusammen und gleichzeitig. Jedes einzelne Bett in einer bestimmten Bank teilt wünschenswerterweise gemeinsame Einsatz- und Auslaßrohre, die geeignete Steuervorrichtungen aufweisen, um den Strom zwischen den Betten zu steuern. Solch eine Adsorptionsbank kann jede Anzahl von Adsorptionsbetten enthalten, jedoch würde jede Bank in einem gegebenen PSA-Adsorptionssystem die gleiche Anzahl von Betten wie die anderen zugeordneten Bänke enthalten. Eine geeignete Anzahl von Bänken kann in einem PSA-System verwendet werden, wobei zwei und vier Bänke allgemein bevorzugt werden.In very large PSA air separation plants, several adsorbent beds can be connected for parallel flow into a processing bank. All of these beds then undergo the same processing sequence together and simultaneously. Each individual bed in a given bank desirably shares common feed and exhaust piping, having suitable control devices to control flow between the beds. Such an adsorption bank can contain any number of adsorbent beds, however, each bank in a given PSA adsorption system would contain the same number of beds as the other associated banks. Any suitable number of banks can be used in a PSA system, with two and four banks generally being preferred.
Es versteht sich, daß die Erfindung unter Verwendung unterschiedlicher Modifikationen der zugrundeliegenden Adsorption-Desorption-Wiederaufdrück-Verarbeitungsabfolge in Abhängigkeit von den Gesamtanforderungen eines jeden bestimmten Luftzerlegungsvorgangs ausgeführt werden kann. Eine bestimmte Prozeßabfolge ist nachfolgend beschrieben. Es versteht sich, daß jedes Bett des PSA-Systems, welches dieser bestimmten Verarbeitungsabfolge oder irgendeiner anderen solchen Abfolge unterworfen ist, die oben in Verbindung mit FIG. 1 beschriebene Konfiguration aufweist, es sei denn, daß die Trocknungsmittellage wie oben beschrieben weggelassen werden kann. Somit sind alle Betten für einen Eigenkühlungsbetrieb mit niedriger Temperatur vorgesehen, wobei keine externe Kältequelle verwendet wird, um den gewünschten Tieftemperaturbetrieb zu erzielen.It will be understood that the invention may be practiced using various modifications of the underlying adsorption-desorption-repressurization processing sequence depending on the overall requirements of any particular air separation operation. A particular processing sequence is described below. It will be understood It is contemplated that each bed of the PSA system subjected to this particular processing sequence or any other such sequence will have the configuration described above in connection with FIG. 1, except that the desiccant layer may be omitted as described above. Thus, all beds are designed for self-cooling low temperature operation, with no external refrigeration source being used to achieve the desired low temperature operation.
Schritt 1 - Aufdrücken des Betts auf den oberen Adorptionsdruck mittels des Einleitens von Einsatzluft in das Einsatzende des Betts;Step 1 - Pressurize the bed to the upper adsorption pressure by introducing feed air into the feed end of the bed;
Schritt 2 - Adsorption bei dem oberen Adsorptionsdruck, wobei Einsatzluft in das Einsatzende des Betts eingeleitet wird und weniger selektiv adsorbierbarer Sauerstoff von dem Produktende des Betts als gewünschtes Produktgas abgezogen wird;Step 2 - adsorption at the upper adsorption pressure, whereby feed air is introduced into the feed end of the bed and less selectively adsorbable oxygen is withdrawn from the product end of the bed as the desired product gas;
Schritt 3 - Gleichstrom-Entspannung mit Freisetzen von Leerraumgas von dem Produktende des Betts, um den Druck des Betts auf einen mittleren Wert zu senken, wobei das freigesetzte Gas in ein anderes Bett des Systems eingeleitet wird, um als Spülgas oder für den Druckausgleich mit einem Bett mit anfänglich niedrigerem Druck zu dienen, oder wobei das freigesetzte Gas als sauerstoffreiches Sekundärprodukt gewonnen wird;Step 3 - cocurrent flashing with release of void gas from the product end of the bed to reduce the pressure of the bed to an intermediate value, the released gas being introduced into another bed of the system to serve as a purge gas or for pressure equalization with an initially lower pressure bed, or the released gas being recovered as an oxygen-rich secondary product;
Schritt 4- Gegenstromentspannung mit Freisetzen von Gas von dem Einsatzende des Betts, welches auf den unteren Desorptionsdruck entspannt wird, wobei das freigesetzte Gas sauerstoffarmes Abgas ist;Step 4- Countercurrent expansion with release of gas from the feed end of the bed, which is expanded to the lower desorption pressure, the released gas being oxygen-poor exhaust gas;
Schritt 5 - Spülen bei dem unteren Desorptionsdruck mit sauerstoffreichem Rückflußgas von einem anderen Bett, welches in das Produktende des Betts eingeleitet wird und wobei zusätzliche Mengen von sauerstoffarmem Abgas von dem Einsatzende des Betts entfernt werden; undStep 5 - purging at the lower desorption pressure with oxygen-rich reflux gas from another bed which is introduced into the product end of the bed and removing additional amounts of oxygen-poor off-gas from the feed end of the bed; and
Schritt 6 - teilweises Wiederaufdrücken des Betts mittels Einleiten von Gas, welches von dem Produktende des anderen Betts freigesetzt wurde, in das Produktende des Betts, welches wieder aufgedrückt wird, wobei der Druck des Betts, welches wieder aufgedrückt wird, von dem unteren Desorptionsdruck auf einen mittleren Druck erhöht wird, ehe es auf den oberen Adsorptionsdruck weiter aufgedrückt wird, wenn die Verarbeitungsabfolge auf einer zyklischen Basis in jedem Bett in dem PSA-System fortgesetzt wird.Step 6 - partially repressurizing the bed by introducing gas released from the product end of the other bed into the product end of the bed being repressurized, increasing the pressure of the bed being repressurized from the lower desorption pressure to an intermediate pressure before being further pressurized to the upper adsorption pressure as the processing sequence continues on a cyclical basis in each bed in the PSA system.
Es versteht sich, daß das sauerstoffreiche Rückflußgas, welches von dem Produktende des Betts in Schritt 3 abgezogen wurde und für Spül- und/oder Druckausgleichszwecke verwendet wird, direkt für solche Zwecke zu einem anderen Bett in dem System geleitet werden und/oder für eine solche Verwendung in einem getrennten Speicherbehälter gespeichert werden kann. Bei einer Ausführungsform kann von einem Bett bei dessen Gleichstromentspannung freigesetztes Gas anfänglich für Druckausgleichszwecke, entweder teilweise oder vollständig, verwendet werden, wobei zusätzliche Mengen von auf diese Weise freigesetztem Gas verwendet werden, um einen Speicherbehälter aufzudrücken, der zur Bereitstellung von Spülgas für ein anderes Bett in dem System zu einem späteren Zeitpunkt verwendet wird, wobei weitere Mengen an Gas direkt zum Spülen eines anderen Betts in dem System verwendet werden.It is understood that the oxygen-rich reflux gas withdrawn from the product end of the bed in step 3 and used for purging and/or pressure equalization purposes may be passed directly to another bed in the system for such purposes and/or stored in a separate storage vessel for such use. In one embodiment, gas released from a bed during cocurrent expansion thereof may be used initially for pressure equalization purposes, either partially or fully, with additional quantities of gas so released being used to pressurize a storage vessel used to provide purge gas to another bed in the system at a later time, with further quantities of gas being used directly to purge another bed in the system.
In der Praxis der Erfindung, in welcher PSA-Behälter wie in dem oben beschriebenen Behälterbeispiel verwendet werden, wobei Gas in dem Gleichstromentspannungsschritt 3 freigesetzt wird, um für Druckausgleich und als Spülgas in einem Zweibettsystem zu dienen, wird eine Gesamtzykluszeit von 90 s verwendet, wobei die Zeitdauern der einzelnen Verarbeitungsschritte wie folgt sind: Schritt 1: 12 s, Schritt 2: 28 s, Schritt 3: 5 s, Schritt 4: 32 s, Schritt 5: 8 s und Schritt 6 : 5 s. Der obere Adsorptionsdruck beträgt 150 kPa, der untere Desorptionsdruck beträgt 50 kPa, die Druckabnahme beim Druckausgleich erfolgt auf 110 kPa und der Druckanstieg beim Druckausgleich erfolgt auf 85 kPa. Einsatzluft wird bei dem oberen Adsorptionsdruck mit einer Rate von 0,133 mol/s bei 300 ºK eingeleitet, wobei 0,039 mol/s Sauerstoff pro Zyklus erzeugt werden und 0,021 mol/s als Sauerstoffprodukt mit 95 %iger Reinheit gewonnen und 0,010 mol/s als Spülsauerstoff verwendet werden. Die Trocknungsmittellage weist eine Temperatur von etwa 300 ºK auf, während das untere Einsatzende des Stickstoffadsorptionsbereichs als Folge des Eigenkühlungsmerkmals der Erfindung eine Temperatur von etwa 270 ºK aufweist und das obere Produktende des Stickstoffadsorptionsmittelbereichs eine Temperatur von etwa 298 ºK aufweist. Die Gesamtkühlung pro Einheit frontaler Fläche beträgt etwa 7580 W/m², d.h. 79,8 kW für ein Bett mit einem Durchmesser von 3,66 m (12 Fuß). Mit der 5,1 cm (2 inch) dicken Isolation des Stickstoffadsorptionsmittelbereichs gemäß der Erfindung und mit einer lateralen Fläche der Gefäßwand von 21 m² wurde der Wärmeverlust durch die Wand des Stickstoffadsorptionsmittelbereichs bei nur 1,1 kW gehalten, wobei der entsprechende Temperatureffekt nur 0,4 ºK betrug.In the practice of the invention, in which PSA containers are used as in the container example described above, with gas released in the cocurrent expansion step 3 to serve for pressure equalization and as a purge gas in a two-bed system, a total cycle time of 90 s is used, with the durations of the individual processing steps being as follows: step 1: 12 s, step 2: 28 s, step 3: 5 s, step 4: 32 s, step 5: 8 s and step 6: 5 s. The upper adsorption pressure is 150 kPa, the lower desorption pressure is 50 kPa, the pressure decrease at pressure equalization is to 110 kPa and the pressure increase at pressure equalization is to 85 kPa. Feed air is introduced at the upper adsorption pressure at a rate of 0.133 mol/s at 300°K, producing 0.039 mol/s of oxygen per cycle and recovering 0.021 mol/s as 95% purity oxygen product and using 0.010 mol/s as purge oxygen. The desiccant layer is at a temperature of about 300°K while the lower feed end of the nitrogen adsorption region is at a temperature of about 270°K as a result of the self-cooling feature of the invention and the upper product end of the nitrogen adsorbent region is at a temperature of about 298°K. The total cooling per unit of frontal area is about 7580 W/m², i.e. 79.8 kW for a bed of 3.66 m (12 ft) diameter. With the 5.1 cm (2 inch) thick insulation of the nitrogen adsorbent region according to the invention and with a lateral area of the vessel wall of 21 m², the heat loss through the wall of the nitrogen adsorbent region was kept to only 1.1 kW, with the corresponding temperature effect being only 0.4 ºK.
Es versteht sich, daß verschiedene Abänderungen und Modifikationen bei den Details der Erfindung, wie sie hier beschrieben wurde, vorgenommen werden können, ohne daß vom Rahmen der Erfindung, wie er in den anhängen Ansprüchen definiert ist, abgewichen wird. So kann die Trocknungsmittellage zusätzlich zu dem oben beschriebenen Aluminiumoxid Siliziumoxidgel, Molekularsiebmaterial, wie beispielsweise bestimmte Na-X-Materialien mit einem hohen Si/Al-Verhältnis, z.B. 20/1, und ähnliches enthalten.It will be understood that various changes and modifications may be made in the details of the invention as described herein without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims. Thus, in addition to the alumina described above, the desiccant layer may contain silica gel, molecular sieve material such as certain Na-X materials having a high Si/Al ratio, e.g., 20/1, and the like.
Der Zweck der Isolation auf den Seitenwänden des Adsorptionsmittelbehälters, d.h. in dem Bereich der Regenerator-, Trocknungs- und Adsorptionsmittelabschnitte, besteht darin, einen unerwünschten Verlust an Eigenkühlung durch die Seitenwände zu verhindern. Für Adsorptionsmittelsysteme, bei welchen die Adsorptionsmittelbetten zylindrische Behälter sind und die Gasströme axial verlaufen, bestehen die Seitenwände aus dem Zylindermantel. Falls eine externe Isolation verwendet wird, kann es notwendig sein, nicht nur den Zylindermantel, sondern auch Teile der Behälterverteilerräume zu isolieren, um eine Wärmeleitung von diesen Räumen zu der Mantelwand zu verhindern. Falls das Adsorptionsmtitelbett für Radialstrom anstatt Axialstrom vorgesehen ist, werden die Ober- und die Unterseite wünschenswerterweise isoliert. Es versteht sich, daß die für solche zylindrischen Behälter oder für jegliche andere Behälter verwendete Isolation eine hinreichende Dicke und hinreichend niedrige Leitfähigkeit haben sollte, so daß die gesamte Wärmeleitung in den Adsorptionsmittelbehälter durch die Wände ein sehr kleiner Bruchteil der während der zyklischen PSA-Vorgänge der Erfindung erzeugten Eigenkälte ist. Die Wärmeleitung in den Behälter wird somit durch die Verwendung einer Isolation minimiert, wobei diese Wärmeleitung weniger als etwa 5 %, vorzugsweise weniger als etwa 2 %, d.h. zwischen etwa 1 % oder weniger und etwa 2 % der innerhalb des Behälters erzeugten Eigenkälte beträgt. Es versteht sich, daß jedes geeignete kommerziell erhältliche Isolationsmaterial verwendet werden kann. Somit können ohne weiteres verfügbare Vakuumisolation, Rohrisolation und ähnliches verwendet werden, wobei Isolationsmaterialien, wie beispielsweise Kieselgur, Siliziumoxid und ähnliches, zweckmäßigerweise verwendet werden.The purpose of insulation on the side walls of the adsorbent vessel, i.e. in the area of the regenerator, dryer and adsorbent sections, is to prevent undesirable loss of self-cooling through the side walls. For adsorbent systems where the adsorbent beds are cylindrical vessels and the gas flows are axial, the side walls consist of the cylinder shell. If external insulation is used, it may be necessary to insulate not only the cylinder shell but also parts of the vessel manifold spaces to prevent heat conduction from these spaces to the shell wall. If the adsorbent bed is designed for radial flow rather than axial flow, the top and bottom are desirably insulated. It will be understood that the insulation used for such cylindrical containers, or for any other containers, should be of sufficient thickness and sufficiently low conductivity so that the total heat conduction into the adsorbent container through the walls is a very small fraction of the inherent cold generated during the cyclic PSA operations of the invention. Heat conduction into the container is thus minimized by the use of insulation, such heat conduction being less than about 5%, preferably less than about 2%, i.e., between about 1% or less and about 2% of the inherent cold generated within the container. It will be understood that any suitable commercially available insulation material may be used. Thus, readily available vacuum insulation, pipe insulation, and the like may be used, with insulation materials such as diatomaceous earth, silica, and the like being conveniently used.
Für einen Axialstromadsorber des in FIG. 1 gezeigten Typs liegt der Regenerator zweckmäßigerweise in Form einer flachen Lage an dem Einsatzende des Adsorbers vor. Bei einem Radialstromadsorber, in welchem der Gasstrom entweder von dem Zentrum nach außen oder von dem Rand zu dem Zentrum hin erfolgt, liegt der Regenerator typischerweise in Form einer zylindrischen Lage vor, welche die Einsatzendeverteileranordnung, entweder extern oder intern, von dem Adsorptionsmittelbereich trennt, wobei die Gasströme somit radial durch den Regenerator strömen.For an axial flow adsorber of the type shown in FIG. 1, the regenerator is conveniently in the form of a flat sheet at the feed end of the adsorber. In a radial flow adsorber in which the gas flow is either from the center outward or from the edge toward the center, the regenerator is typically in the form of a cylindrical sheet which separates the feed end manifold assembly, either externally or internally, from the adsorbent region, the gas streams thus flowing radially through the regenerator.
Zusätzlich zu den 0,8 cm (5/16 inch) leitenden Messingkugeln, die zum Füllen der unteren Verteileranordnung in dem obigen veranschaulichenden Beispiel verwendet werden, können andere geeignete Teilchen, einschließlich leitenden Teilchen, wie beispielsweise Aluminiumoxid, für solche Zwecke verwendet werden. Während des Aufdrückens wird das Gas in dem Verteilerraum mittels reversibler Kompressionsarbeit erwärmzt. Erwärmtes Gas wird dann durch den Regenerator und in das Adsorptionsmittelbett getrieben. Schließlich nähert sich das Gas in dem Verteilerraum der Temperatur des Einsatzgases an, welches den Einsatzverdichter und seinen Nachkühler verläßt. An dieser Stelle ist Überschußwärme in den Adsorber eingetreten. Während der Desorption wird das Gas in dem Verteilerraum durch reversible Expansionsarbeit gekühlt. Gekühltes Gas tritt durch eine Auslaßleitung und eine Vakuumpumpe, falls verwendet, aus. Schließlich nähert sich das Gas in dem Verteilerraum der Temperatur des Gases an, welches das warme Ende des Regenerators verläßt. Diese Temperatur ist nahezu die gleiche wie die Temperatur des Gases, das den Einsatzverdichter und seinen Nachkühler verlassen hat, solange die Regeneration effektiv arbeitet.In addition to the 0.8 cm (5/16 inch) conductive brass balls used to fill the lower distributor assembly in the above illustrative example, other suitable particles, including conductive particles such as alumina, may be used for such purposes. During pressurization, the gas in the distributor space is heated by means of reversible compression work. Heated gas is then forced through the regenerator and into the adsorbent bed. Eventually, the gas in the distributor space approaches the temperature of the feed gas entering the feed compressor. and exits its aftercooler. At this point, excess heat has entered the adsorber. During desorption, the gas in the plenum is cooled by reversible expansion work. Cooled gas exits through an outlet line and a vacuum pump, if used. Eventually, the gas in the plenum approaches the temperature of the gas leaving the warm end of the regenerator. This temperature is nearly the same as the temperature of the gas that left the feed compressor and its aftercooler, as long as the regeneration is operating effectively.
Der Nettoeffekt des Prozesses besteht darin, daß reversible Kompressions- und Expansionsarbeit in dem Endraum als eine Wärmepumpe wirkt. Die Wärme von der Pumpausrüstung wird in das Adsorptionsmittel injiziert, wodurch mindestens ein Teil der Eigenkühlung des Adsorptionsmittels aufgehoben wird. Die in das Adsorptionsmittel gepumpte Wärme wandert zyklusweise durch das ganze Bett, und sie erhöht schließlich die Temperatur des gesamten Betts. Solch unerwünschtes Hineinpumpen von Wärme in die Verteileranordnung am Einsatzende kann dadurch verringert werden, daß das Volumen des Verteilerraums veningert wird und/oder der Verteilerraum teilweise mit starren oder voluminösen Teilchen oder Strukturen gefüllt wird, wie beispielsweise den oben erwähnten Messingkugeln, welche den gasgefüllten Leerraum verringern. Der verbleibende Leerraum des Verteilerraums beträgt zweckmäßigerweise etwa 40 % des Volumens des unbefüllten Verteilerraums, obschon es sich versteht, daß das verbleibende Volumen auf jedes Volumen verringert werden kann, welches für eine effektive Verringerung des Einpumpens von Wärme an der Verteileranordnung oder dem Verteilerraum an dem Einsatzende sorgt. Falls die Teilchen oder Strukturen zum Füllen des Verteilerraums eine ausreichende Wärmekapazität und eine ausreichende Wärmeübertragungsoberfläche besitzen, können sie den Wärmepumpeffekt nicht nur durch das Verringern des gasgefüllten Volumens sondern auch durch das Dämpfen der Temperaturschwankungen der Wärmeleitung mit dem darin befindlichen Gas verringern. Auf diese Weise können sie während des Aufdrückens Wärme aus dem Gas absorbieren und diese Wärme während des Entspannens in das Gas freisetzen.The net effect of the process is that reversible compression and expansion work in the end space acts as a heat pump. The heat from the pumping equipment is injected into the adsorbent, thereby canceling out at least some of the adsorbent's self-cooling. The heat pumped into the adsorbent travels through the entire bed in cycles, and it ultimately increases the temperature of the entire bed. Such undesirable pumping of heat into the distributor assembly at the feed end can be reduced by reducing the volume of the distributor space and/or partially filling the distributor space with rigid or bulky particles or structures, such as the brass balls mentioned above, which reduce the gas-filled void space. The remaining empty space of the manifold space is suitably about 40% of the volume of the unfilled manifold space, although it is understood that the remaining volume can be reduced to any volume which provides for an effective reduction in the pumping of heat at the manifold assembly or manifold space at the end of use. If the particles or structures for filling the manifold space have sufficient heat capacity and sufficient heat transfer surface, they can reduce the heat pump effect not only by reducing the gas-filled volume but also by dampening the temperature fluctuations of heat conduction with the gas therein. In this way they can absorb heat from the gas during compression and release this heat into the gas during expansion.
Obschon ein Wärmepumpeffekt auch in der Verteileranordnung an dem Produktende an dem gegenüberliegenden Ende des Adsorbers auftritt, beeinflußt dies die Adsorbertemperatur nicht wesentlich. Während die Verteileranordnung vorzugsweise mit den Teilchen oder Strukturen gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung gefüllt ist, besteht keine Notwendigkeit, den thermischen Zyklus an dem Verteilerraum an dem Produktende zu verringern. Dieser Produktend- oder obere Verteilerraum kann nichtsdestotrotz mit Keramikkugeln oder anderen Teilchen oder Strukturen gefüllt sein, falls eine Verringerung des Verlusts an Kompressionsenergie in dem Verteilerraum an dem Produktende gewünscht ist. Für den Fachmann versteht es sich, daß die Erfindung unter Verwendung einer Vielzahl von Prozeßbedingungen in Abhängigkeit von der ausgeführten Gastrennung, der Anzahl von Adsorptionsmittelbetten und dem verwendeten Adsorptionsmittel, den gewünschten Produkteigenschaften und ähnlichem ausgeführt werden kann. Es liegt im Rahmen der Erfindung, untere Desorptionsdrücke von etwa 40,5 kPa bis etwa 121,6 kPa (etwa 0,4 bis etwa 1,2 Atmosphären (atm)) bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung zu verwenden. Das Verhältnis von oberem Adsorptionsdruck zu unterem Desorptionsdruck liegt erfindungsgemäß im Bereich von etwa 1,25 bis etwa 5,0. Es sei bemerkt, daß die Erfindung innerhalb solcher Betriebsbereiche vorzugsweise innerhalb zwei getrennter Betriebsbereiche ausgeführt wird. Demgemäß wird die Erfindung bei bestimmten Ausführungsformen vorteilhaft bei unteren Desorptionsdrücken von etwa 40,5 bis etwa 70,9 kPa (etwa 0,4 bis etwa 0,7 atm), z.B. 55,7 kPa (0,55 atm) ausgeführt, wobei das Verhältnis von oberem Adsorptionsdruck zu unterem Desorptionsdruck von etwa 1,4/1 bis etwa 5,0/1, vorzugsweise von etwa 1,7/1 bis etwa 3,0/1 variiert. Bei anderen Ausführungsformen wird die Erfindung vorteilhaft bei unteren Desorptionsdrücken von etwa 101,3 bis etwa 121,6 kPa (etwa 1,0 bis 1,2 atm) ausgeführt, wobei das Verhältnis von oberem Adsorptionsdruck zu unterem Desorptionsdruck von etwa 1,25/1 bis etwa 3,5/1, vorzugsweise von etwa 1,4/1 bis etwa 2,5/1 variiert. Bei PSA-Zyklen, bei welchen jedes Bett auf einen mittleren Druckwert entspannt wird, bevor es auf den unteren Desorptionsdruck entspannt wird, z.B. mittels des oben beschriebenen Gleichstromentspannungsschritts, beträgt die Differenz zwischen dem oberen Adsorptionsdruck und dem mittleren Druckwert, bzw. den mittleren Druckwerten, falls mehr als ein mittlerer Druckwert verwendet wird, vorzugsweise zwischen nahe 0 % und etwa 40 % der Gesamtdifferenz zwischen dem oberen Adsorptionsdruck und dem verwendeten unteren Desorptionsdruck. Die Temperatur der Luft oder eines anderen Einsatzgases liegt zweckmäßigerweise im Bereich von etwa 280 ºK bis etwa 310 ºK, typischerweise von etwa 290 ºK bis etwa 305 ºK, wobei Umgebungstemperaturbedingungen zweckmäßig sind. Wie oben erwähnt, sind die in der Praxis der Erfindung verwendeten Adsorptionsmittel Na-X-Zeolith-Molekularsiebe vom Gleichgewichtstyp, die für die leichter adsorbierbare Komponente des Gasgemischs, z.B. für Stickstoff bei Luftzerlegungsvorgängen, nur mäßig starke Adsorptionsmittel darstellen. Solche Adsorptionsmittel, z.B. Na-X mit einem wie oben erwähnten Verhältnis von Siliziumoxid zu Aluminiumoxid, und die bekannten Materialien vom Typ 5A und 4A, zeigen somit nur eine mäßige Selektivität bezüglich des Stickstoffs oder der selektiver adsorbierbaren Komponente, nur eine mäßige Adsorptionsmittelbeladung und nur eine mäßige Adsorptionswärme. Im Gegensatz dazu sind Li-X, Ca-X und andere mittels Ionenaustausch von Na-X-Zeolithen hergestellte Zeolithe stark adsorbierend bezüglich Stickstoff und den anderen leichter adsorbierbaren Komponenten der Einsatzluft oder eines anderen Einsatzgases, und sie zeigen eine hohe Selektivität bezüglich Stickstoff oder der stärker selektiv adsorbierbaren Komponente, zusammen mit einer hohen Beladung und einer großen Adsorptionswärme.Although a heat pump effect also occurs in the distributor assembly at the product end at the opposite end of the adsorber, this does not significantly affect the adsorber temperature. While the distributor assembly is preferably filled with the particles or structures according to the preferred embodiments of the invention, there is no need to reduce the thermal cycle at the distributor space at the product end. This product end or upper distributor space may nevertheless be filled with ceramic balls or other particles or structures if a reduction in the loss of compression energy in the distributor space at the product end is desired. For those skilled in the art It will be understood that the invention may be practiced using a variety of process conditions depending upon the gas separation being carried out, the number of adsorbent beds and adsorbent used, the desired product properties, and the like. It is within the scope of the invention to use lower desorption pressures of from about 40.5 kPa to about 121.6 kPa (about 0.4 to about 1.2 atmospheres (atm)) in various embodiments of the invention. The ratio of upper adsorption pressure to lower desorption pressure is in the range of from about 1.25 to about 5.0 in accordance with the invention. It should be noted that within such operating ranges, the invention is preferably practiced within two separate operating ranges. Accordingly, in certain embodiments, the invention is advantageously practiced at lower desorption pressures of about 40.5 to about 70.9 kPa (about 0.4 to about 0.7 atm), e.g., 55.7 kPa (0.55 atm), wherein the ratio of upper adsorption pressure to lower desorption pressure varies from about 1.4/1 to about 5.0/1, preferably from about 1.7/1 to about 3.0/1. In other embodiments, the invention is advantageously practiced at lower desorption pressures of about 101.3 to about 121.6 kPa (about 1.0 to 1.2 atm), wherein the ratio of upper adsorption pressure to lower desorption pressure varies from about 1.25/1 to about 3.5/1, preferably from about 1.4/1 to about 2.5/1. In PSA cycles in which each bed is depressurized to an intermediate pressure before being depressurized to the lower desorption pressure, e.g. by means of the cocurrent depressurization step described above, the difference between the upper adsorption pressure and the intermediate pressure, or intermediate pressures if more than one intermediate pressure is used, is preferably between near 0% and about 40% of the total difference between the upper adsorption pressure and the lower desorption pressure used. The temperature of the air or other feed gas is suitably in the range of about 280ºK to about 310ºK, typically from about 290ºK to about 305ºK, with ambient temperature conditions being suitably. As mentioned above, the adsorbents used in the practice of the invention are equilibrium type Na-X zeolite molecular sieves which are only moderately strong adsorbents for the more readily adsorbable component of the gas mixture, e.g. nitrogen in air separation processes. Such adsorbents, e.g. Na-X with a ratio of silica to alumina as mentioned above, and the known materials of type 5A and 4A, thus show only moderate selectivity with respect to the nitrogen or the more selectively adsorbable component, only moderate adsorbent loading and only moderate heat of adsorption. In contrast, Li-X, Ca-X and other zeolites prepared by ion exchange of Na-X zeolites are strongly adsorbent with respect to nitrogen and the other more readily adsorbable components of the feed air or other feed gas, and they show high selectivity with respect to nitrogen. or the more selectively adsorbable component, together with a high loading and a large heat of adsorption.
Bei Ausführungsformen der Erfindung, bei welchen ein Spülschritt verwendet wird, wie bei anderen PSA-Zyklen, versteht es sich, daß die Adsorptionsfront der stärker selektiv adsorbierbaren Komponente sich während dem Hochdruckadsorptionsschritt und dem Gleichstromentspannungsschritt von dem Einsatzende des Betts zu dem Produktende des Betts hin bewegt, ohne daß jedoch ein Durchbruch von dem Produktende des Bettes stattfindet. Die Menge an während des unteren Desorptionsdrucks verwendetem Spülgas ist so gewählt, daß die Desorption und das Entfernen der stärker selektiv adsorbierbaren Komponente von dem Einsatzende des Bettes ohne Durchbruch der schwerer adsorbierbaren Komponente, d.h. Sauerstoff bei Luftzerlegungsanwendungen, von dem Einsatzende des Bettes stattfindet. Bei Anwendungen mit niedrigerem Verhältnis von Adsorptionsdruck zu Desorptionsdruck ist es allgemein wünschenswert, genügend Spülgas zu verwenden, um eine Desorption und ein Entfernen der leichter adsorbierbaren Komponente von dem Bett in größtmöglichem Ausmaß sicherzustellen, ohne daß ein Durchbruch der schwerer adsorbierbaren Komponente stattfindet.In embodiments of the invention in which a purge step is used, as in other PSA cycles, it is understood that the adsorption front of the more selectively adsorbable component moves from the feed end of the bed to the product end of the bed during the high pressure adsorption step and the cocurrent expansion step, but without breakthrough from the product end of the bed. The amount of purge gas used during the lower desorption pressure is selected so that the desorption and removal of the more selectively adsorbable component from the feed end of the bed occurs without breakthrough of the less adsorbable component, i.e. oxygen in air separation applications, from the feed end of the bed. In applications with lower adsorption pressure to desorption pressure ratios, it is generally desirable to use sufficient purge gas to ensure desorption and removal of the more easily adsorbable component from the bed to the greatest extent possible without breakthrough of the less easily adsorbable component.
Während die Erfindung insbesondere in Bezug auf PSA-Luftzerlegungsvorgänge für die selektive Adsorption von Stickstoff und für die Gewinnung des schwerer adsorbierbaren Sauerstoffs, oder Sauerstoff und Argon, als gewünschtes Produkt beschrieben wurde, können auch andere Gaszerlegungsvorgänge in der Praxis der Erfindung vorteilhaft ausgeführt werden. Es sollte sich verstehen, daß Luftzerlegungs-PSA-Zyklen bekannt sind und in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden können, wobei die stärker selektiv adsorbierbare Komponente, d.h. Stickstoff, das gewünschte Produkt darstellt und in dem Desorptionsabschnitt des PSA-Zyklusses mit oder ohne Verwendung eines Spülschritts gewonnen wird. Andere Gaszerlegungs-PSA-Vorgänge, welche mittels der Erfindung verbessert werden können, schließen die Trennung von Stickstoff von Helium oder von Wasserstoff ein, wobei Stickstoff die leichter adsorbierbare Komponente solcher Gasgemische darstellt.While the invention has been particularly described with respect to PSA air separation processes for the selective adsorption of nitrogen and for the recovery of the less adsorbable oxygen, or oxygen and argon, as the desired product, other gas separation processes may be advantageously carried out in the practice of the invention. It should be understood that air separation PSA cycles are known and may be used in conjunction with the invention wherein the more selectively adsorbable component, i.e. nitrogen, is the desired product and is recovered in the desorption portion of the PSA cycle with or without the use of a purge step. Other gas separation PSA processes which may be improved by the invention include the separation of nitrogen from helium or from hydrogen, nitrogen being the more readily adsorbable component of such gas mixtures.
Unter Verwendung des in dem obigen veranschaulichenden Beispiel beschriebenen Systems zur Luftzerlegung und zur Gewinnung von Sauerstoff wurde festgestellt, daß in der Praxis der Erfindung ohne das Erfordernis einer externen Kühlung eine Leistung erzielt werden kann, die zu derjenigen vergleichbar ist, die man mit dem Ansatz der externen Kühlung erhält. Es wurde ferner bestimmt, daß die Produktausbeute größer ist und der Bettgrößenfaktor wünschenswert niedriger ist, wenn der Desorptionsdruck bei festgelegten oberen Adsorptionsdruckbedingungen niedrig gehalten wird. Jedoch erhöhen zunehmend niedrige Desorptionsdrücke den Leistungsbedarf der zur Erzielung der Vakuumdesorptionsdruckpegel erforderlichen Vakuumpumpe. Somit sind ein mäßiger Desorptionsdruckwert und ein mäßig hohes Verhältnis von Adsorptionsdruck zu Desorptionsdruck innerhalb der oben spezifizierten Bereiche allgemein wünschenswert. Die Erfindung sorgt auch für eine höchst wünschenswerte Prozeßflexibilität, was einen Ausgleich mit Betriebsmerkmalen hinsichtlich der mit einer vorgegebenen Anwendung verbundenen Anforderungen und Beschränkungen ermöglicht.Using the air separation and oxygen recovery system described in the above illustrative example, it has been found that performance comparable to that obtained with the external cooling approach can be achieved in the practice of the invention without the need for external cooling. It has also been determined that product yield is higher and bed size factor is desirably lower when the desorption pressure is kept low at fixed upper adsorption pressure conditions. However, increasingly low desorption pressures increase the power requirements of the vacuum pump required to achieve the vacuum desorption pressure levels. Thus, a moderate desorption pressure value and a moderately high Ratio of adsorption pressure to desorption pressure within the ranges specified above is generally desirable. The invention also provides highly desirable process flexibility, allowing balancing of operating characteristics with the requirements and constraints associated with a given application.
Die Erfindung stellt einen höchst wünschenswerten Fortschritt auf dem Gebiet der PSA dar, der auf der effektiven Ausnutzung der im Verlauf von zyklischen PSA-Vorgängen erzeugten Eigenkühlung basiert. Als Ergebnis können verbesserte Gastrennungen, wie bei den höchst wünschenswerten PSA-Vorgängen zur Gewinnung von Sauerstoff mittels Luftzerlegung, unter optimalen Temperaturbedingungen ohne das Erfordernis und den Aufwand von externen Kühlungsquellen erzielt werden. Durch die Praxis der Erfindung wird die PSA-Technologie in die Lage versetzt, die Anforderungen und Wünsche in der Technik nach Gesamteffizienz und Gesamtökonomie vollständiger zu erfüllen, wodurch die ständig wachsenden Anforderungen an die Luftzerlegung zur Sauerstoffherstellung und andere wünschenswerte Gaszerlegungsvorgänge erfüllt werden.The invention represents a highly desirable advance in the field of PSA based on the effective utilization of the self-cooling generated during cyclic PSA operations. As a result, improved gas separations, such as in the highly desirable PSA operations for producing oxygen by air separation, can be achieved under optimal temperature conditions without the need and expense of external cooling sources. Through the practice of the invention, PSA technology will be enabled to more fully meet the needs and desires in the art for overall efficiency and overall economy, thereby meeting the ever-increasing demands of air separation for oxygen production and other desirable gas separation operations.
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